黄如-北京大学科学研究部

项目名称：新型低功耗多栅MOS器件的实验与理论研究

完成单位：北京大学

完成人：黄如、王润声、张兴、王阳元

项目简介：

随着集成电路特征尺寸进入纳米尺度，传统半导体器件面临诸多科学和技术难题的挑战，导致严重的功耗问题，必须从器件结构及相关工艺和机理等方面寻求突破，以促进集成电路技术代向亚十纳米节点推进。本项目面向深纳米尺度器件存在的挑战以及电路和系统功耗降低的迫切需求，围绕具有强栅控能力的多栅新结构器件中的关键基础问题展开研究，包括结构设计及工艺实现、输运特性和随机涨落性等在内的器件物理以及如何兼顾兼容性和设计要求进一步降低功耗的方法等，取得了多栅器件理论及实验研究的系列成果，揭示了薄体强限域结构中特殊物理现象及根源，并延拓其低功耗应用能力。

科学发现点和成果主要包括：

1. 提出了多栅 BOI FinFET和硅纳米线器件的结构设计和工艺实现的新方法，揭示了关键工艺在深纳米尺度下的物理性质，成功研制了基于多栅新器件的实验电路，验证了其在低功耗集成电路应用中的显著潜力。

2. 揭示了多栅硅纳米线器件载流子输运中特殊的本征物理特性和非本征效应的影响。发现亚40纳米沟长的硅纳米线器件就可在室温达到准弹道输运，发现表象迁移率与沟长的特殊依赖关系并建立了物理模型，发现并研究了硅纳米线多栅器件中特有的寄生参量和较为严重的自加热等非本征效应对器件载流子输运的影响。

3. 揭示了多栅硅纳米线器件中特殊的随机涨落性质。率先实验研究了硅纳米线多栅器件的低频闪烁噪声，发现其具有新特性和新机制；发现了该器件中随机电报噪声的新机制，并建立了全量子物理模型；研究了关键涨落源对硅纳米线多栅器件的影响，发现了其工艺偏差的物理起源和特殊涨落规律，实验提取并分析了主要涨落源对其器件和电路参数波动的影响。

4. 揭示了可以兼顾兼容性和设计要求的混合栅控技术的器件物理及低功耗延拓潜力。发现混合栅控器件不同于传统半导体器件的新工作机制，提出了新的器件分析方法，并从实验上进行了验证；进一步将混合栅控技术应用于超低功耗的实际电路，设计并研制出可在0.4V超低电压下工作的射频模块电路。