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重大突破！清华大学集成电路学院首次实现亚1纳米栅长晶体管

judy — Fri, 11 Mar 2022 08:12:39 +0000

近日，清华大学集成电路学院任天令教授团队在小尺寸晶体管研究方面取得重大突破，首次实现了具有亚1纳米栅极长度的晶体管，并具有良好的电学性能。

图1 亚1纳米栅长晶体管结构示意图

晶体管作为芯片的核心元器件，更小的栅极尺寸能让芯片上集成更多的晶体管，并带来性能的提升。

Intel公司创始人之一的戈登·摩尔（Gordon Moore）在1965提出：“集成电路芯片上可容纳的晶体管数目，每隔18-24个月便会增加一倍，微处理器的性能提高一倍，或价格下降一半。”这在集成电路领域被称为“摩尔定律”。

过去几十年晶体管的栅极尺寸在摩尔定律的推动下不断微缩，然而近年来，随着晶体管的物理尺寸进入纳米尺度，造成电子迁移率降低、漏电流增大、静态功耗增大等短沟道效应越来越严重，这使得新结构和新材料的开发迫在眉睫。

根据信息资源词典系统（IRDS2021）报道，目前主流工业界晶体管的栅极尺寸在12nm以上，如何促进晶体管关键尺寸的进一步微缩，引起了业界研究人员的广泛关注。

图2 随着摩尔定律的发展，晶体管栅长逐步微缩，本工作实现了亚1纳米栅长的晶体管

学术界在极短栅长晶体管方面做出了探索。任天令教授团队巧妙利用石墨烯薄膜超薄的单原子层厚度和优异的导电性能作为栅极，通过石墨烯侧向电场来控制垂直的MoS2沟道的开关，从而实现等效的物理栅长为0.34nm。通过在石墨烯表面沉积金属铝并自然氧化的方式，完成了对石墨烯垂直方向电场的屏蔽。再使用原子层沉积的二氧化铪作为栅极介质、化学气相沉积的单层二维二硫化钼薄膜作为沟道。具体器件结构、工艺流程、完成实物图如下所示：

图3 亚1纳米栅长晶体管器件工艺流程，示意图，表征图以及实物图

研究发现，由于单层二维二硫化钼薄膜相较于体硅材料具有更大的有效电子质量和更低的介电常数，在超窄亚1纳米物理栅长控制下，晶体管能有效的开启、关闭，其关态电流在pA量级，开关比可达105，亚阈值摆幅约117mV/dec。大量、多组实验测试数据结果也验证了该结构下的大规模应用潜力。基于工艺计算机辅助设计（TCAD）的仿真结果进一步表明了石墨烯边缘电场对垂直二硫化钼沟道的有效调控，预测了在同时缩短沟道长度条件下，晶体管的电学性能情况。这项工作推动了摩尔定律进一步发展到亚1纳米级别，同时为二维薄膜在未来集成电路的应用提供了参考依据。

图4 统计目前工业界和学术界晶体管栅极长度微缩的发展情况，本工作率先达到了亚1纳米

上述相关成果以“具有亚1纳米栅极长度的垂直硫化钼晶体管”（Vertical MoS2 transistors with sub-1-nm gate lengths）为题，于3月10日在线发表在国际顶级学术期刊《自然》（Nature）上。

文章来源：清华大学

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一键解锁！晶体管结构工艺发展历程

judy — Mon, 07 Mar 2022 02:40:15 +0000

从人工智能（AI）到5G、物联网（IoT）、再到自动驾驶汽车，半导体不知不觉已经成为第四次工业革命时代的核心技术之一。随着半导体技术的先进化和复杂化，半导体工艺也在快速发展。

随着下一代设备越来越小，半导体也逐渐小型化，集成度越来越高，超微工艺技术变得更加重要。

FinEFT，开启3D晶体管时代

晶体管是构成半导体的主要元件，起到控制电流的大小与开关的作用。其工作原理是通过对栅极（Gate）施加电压来控制源极（Source）和漏极（Drain）之间的沟道（Channel）能否产生有效电流，从而使晶体管处于开启或者关闭的状态。

平面型晶体管是一个平面（2D）结构，栅极和沟道与同一个表面接触。如果缩小晶体管尺寸，那么源极和漏极之间的距离变近，会导致栅极无法正常工作，发生漏电的短沟道效应等问题，因此，在降低工作电压方面存在局限性。

为改善这一点，一种叫“FinFET”的三维（3D）结构工艺技术得以开发。因为这种结构看上去像鱼鳍的形状，所以被称为鳍式场效应晶体管。栅极和通道间的接触面越大，效率越高。FinFET通过采用3D结构，使栅极和通道拥有三个接触面，增大了接触面积，提升了半导体性能。

新一代晶体管结构——GAA

在半导体工艺中，鳍式场效应晶体管虽一直被使用。但在4nm以下的工艺中，它存在工作电压无法持续降低的局限性。

为了解决这些问题，创建了新一代3nm GAA（全环绕式栅极）结构。在3nm及以下超精细电路中，引入GAA结构晶体管，其栅极包围着电流流经通道的四个侧面，从而将通道的调节能力最大化，能更精准控制电流流动，实现更高的电源效率。

MBCFET™（多桥通道场效晶体管）是一种改进的GAA结构。它改进了横截面直径约为1nm的线形通道，提升了获取足够电流的能力。

与7nm FinFET相比，MBCFET™能将晶体管体积减少45%，还能根据特性调节纳米片（nanosheet）宽度，因而具有很高的设计灵活性。此外，它与FinFET工艺高度兼容，能充分利用现有设施和制造技术。

文章来源：三星半导体

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利用 HEMT 和 PHEMT 改善无线通信电路中的增益、速度和噪声

judy — Fri, 04 Mar 2022 06:42:23 +0000

本文转载自： Cadence楷登PCB及封装资源中心

本文要点

高电子迁移率晶体管 (High electron mobility transistors ，HEMT) 和伪高电子迁移率晶体管 (pseudomorphic high electron mobility transistors ，PHEMT) 因其独特的、可提高性能的特点而大受欢迎

在 HEMT 结构中，高电子迁移率是由于掺杂的宽带半导体与未掺杂的窄带隙半导体并列在一起造成的

HEMT 和 PHEMT 常见于移动电话、卫星电视接收器、雷达和低噪声放大器。

用于无线通信放大器和转换器的有源器件需要具备高增益、高速度和低噪声的特点。当用于放大器和转换器的元件表现出这些增强的特性时，系统的性能会自动提升。

在毫米波频段的射频和微波通信系统中，高电子迁移率晶体管 (HEMT) 和伪高电子迁移率晶体管 (PHEMT) 因其高功耗附加效率、出色的噪声表现、高开关速度和独特的电流-电压特性而被广泛使用。这些特性使 HEMT 和 PHEMT 能够在广泛的应用中提高设计性能。

HEMT 和 PHEMT 的结构和操作

HEMT 和 PHEMT 都是场效应晶体管 (FET) 的一种变体，适用于单片微波集成电路 (MMIC) 的制造。HEMT 和 PHEMT 结构将移动载流子与掺杂离子物理隔离，并防止光学声子和离子化杂质造成潜在的散射问题。

让我们深入了解一下 HEMT 和 PHEMT 的结构。

HEMT 和 PHEMT 用于提高手机的性能

HEMT 的结构

发明 HEMT 的初衷是在室温下的半导体器件中获得高电子迁移率。在 HEMT 中用 AlxGa1-xAs/GaAs 量子阱异质结构实现的高电子迁移率迅速取代了无线通信电路中的金属半导体 FET (MESFET)，因为后者的电子迁移率即使在较高的掺杂水平下也十分有限。

在 HEMT 结构中，高电子迁移率是由于掺杂的宽带半导体与未掺杂的窄带隙半导体并列在一起造成的。这种具有不同带隙的两种材料的结构形成了异质结，在掺杂区有一个通道。这种 HEMT 也被称为异质结构 FET (HFET) 或调制掺杂 FET (MODFET)。

当两个不同带隙和掺杂水平的半导体被整合到一个器件的结构中时，电子会向能量较低的窄带隙材料移动。这种电荷转移受到电子和供体离子之间电场的排斥，并倾向于改变带电位。

载流子被限制在窄带隙未掺杂材料的三角量子阱区域，该区域紧邻宽带隙掺杂材料。量子阱区域的薄度创造了自由载流子的二维电子气 (2DEG)。

在这个二维电子气中，没有其他供体电子，因此，该区域的电子迁移率非常高。这种异质结构有助于在 HEMT 中实现较高的电子迁移率。

在 HEMT 结构中使用的两种半导体，其晶格常数或原子间的间距相同。如果晶格常数不匹配，就会导致传导带不连续、深层陷阱，并最终导致 HEMT 性能下降。

异质结处传导带轻微的不连续现象和 2DEG 之间缺失的势垒只限制了通道中的少数电子，导致 HEMT 额定电流较低。

PHEMT 的结构

为了克服 HEMT 的缺点，可以在通道和基板之间引入一个势垒。为此，可以在砷化镓 (GaAs) 缓冲器和供应层之间建立一个赝晶砷化镓 (InGaAs) 通道。这种结构上的改变将 HEMT 转变为了 PHEMT。GaAs 缓冲器和供应层之间的 InGaAs 通道将 HEMT 转变为 PHEMT。PHEMT 技术允许用带隙差异较大的材料来制造 HEMT 器件。

HEMT 的应用

得益于氮化镓/氮化铝（GaN/AlGaN） HEMT 的进展，HEMT 器件可以用于高电压、高电流和低导通电阻电路。

与基于硅和砷化镓的器件相比，基于氮化镓的 HEMT 器件表现出了特殊性能，如更高的击穿电压、饱和电子漂移速度、热导率、功耗密度和更宽的带宽。

HEMT 元件的用途

当今的 HEMT 元件坚固耐用、性能可靠，可用于高压和高温应用。它们经常出现在商业、军事、汽车以及航空航天工业应用中的高电压和高功耗转换器中。

由于 2DEG 中的电子碰撞较少，HEMT 器件的噪声系数非常低，使它们非常适合于在高达 100GHz 的频率范围内工作的低噪声放大器电路、振荡器和混合器。由于 HEMT 和 PHEMT 具备低噪声、高开关速度和高频性能，也常被用在射频通信系统中的 MMIC 上。常见的应用领域还包括高速数据网络通信系统、广播接收器和雷达中使用的电路。

现代无线通信系统需要高功耗密度的放大器、振荡器和混频器，同时成本要低。在各种行业中，为了获得卓越性能，需要利用高频运行的射频和微波电路提供高增益、高效率和低噪声特性。HEMT 和 PHEMT 是满足这些标准的创新半导体元件。如果您的目标是提供稳健可靠的电路，并改善增益、速度和噪声特性，可以考虑在无线通信电路中用 HEMTS 和 PHEMT 取代传统的 FET，以提高性能。

Ampleon发布增强性能的第3代碳化硅基氮化镓晶体管

judy — Thu, 24 Feb 2022 06:48:13 +0000

频率覆盖范围广并且具有高效率和高线性度

埃赋隆半导体（Ampleon）今天宣布推出两款新型宽带碳化硅基氮化镓（GaN-on-SiC）高电子迁移率晶体管（HEMT），功率等级分别为30W的CLF3H0060(S)-30和100W的CLF3H0035(S)-100。这两款高线性度器件是我们最近通过认证并投入生产的第3代GaN-SiC HEMT工艺的首发产品。

这些器件提供了低偏置下的宽带高线性度特性，从而提高了宽带线性度水平（在5dB时三阶互调低于-32dBc；在2:1带宽上从饱和功率回退8dB时则低于-42dBc）。宽带线性对于当今国防电子设备中所部署的频率捷变无线电至关重要，后者用于处理多模通信波形（从FM信号一直到高阶QAM信号）并同时应用对抗信道的情况。这些要求苛刻的应用需要晶体管本身具有更好的宽带线性度。根据市场反馈，埃赋隆半导体的第3代GaN-on-SiC HEMT晶体管可满足这些扩展的宽带线性度要求。

此外，这两款第3代晶体管还采用了增强散热封装以实现可靠运行，并为30W器件提供高达15:1的极耐用的VSWR耐受能力。该耐用性还可扩展到A类放大器工作模式。这在具有饱和栅极条件下，同时要在扩展频率范围内在宽动态范围内保持线性度的仪器应用中很常见。埃赋隆半导体的第3代GaN-on-SiC HEMT晶体管为宽带应用的高线性GaN技术设立了新标准，同时保持了出色的散热性能和耐用性。

欲了解有关埃赋隆半导体最新50V第3代GaN-on-SiC射频功率晶体管的更多信息，敬请访问：CLF3H0060(S)-30、CLF3H0035(S)-100。

这些晶体管可直接从埃赋隆半导体或其授权分销商RFMW和得捷电子（Digi-Key）购买。采用ADS和MWO的大信号模型可从埃赋隆半导体的网站下载。

关于埃赋隆半导体（Ampleon）：

埃赋隆半导体创立于2015年，在射频功率领域拥有50年的领导地位。本公司通过基于先进LDMOS和GaN技术的高频应用创新，让世界变得更美好。埃赋隆半导体在全球拥有超过1,600名员工，致力通过密切的合作伙伴关系、创新和出色的执行，使客户能够成功地使用射频电源产品。其创新而又一致的产品组合，4G LTE和5G NR基础设施、工业、科学、医疗、广播、航空航天和国防应用。欲了解更多有关该射频功率领域全球领先合作伙伴的详细信息，请访问 www.ampleon.com。

双极结型晶体管——MOSFET的挑战者

judy — Fri, 07 Jan 2022 03:51:12 +0000

作者:儒卓力标准产品产品经理Thomas Bolz

数字开关通常使用MOSFET来创建，但是对于低饱和电压的开关模型，双极结型晶体管已成为不容忽视的替代方案。对于低电压和低电流的应用，它们不仅可以提供出色的电流放大效果，还具有成本优势。

双极结型晶体管可为移动设备提供更长的使用寿命。

图：IBPhotography/Shutterstock

在负载开关应用中，晶体管需要精确地放大基极电流，使输出电压接近零，以便仅测量晶体管的饱和电压。MOSFET通常用于这项用途，因为它们不需要任何底层控制器作为电压控制组件。另一方面，双极结型晶体管(BJT)是需要能够连续传输电流的底层控制器的电流控制组件。

不过，具有更高的电流增益(hFE)和更低的饱和电压(VCEsat)的双极结型晶体管可以实现更低的基极电流。它们较高的电流增益降低了基极电流的要求，由此可以由单片机直接开关。例如，如果晶体管需要传导1 A电流并且电流增益为100，则基极电流至少需要10 mA，以确保晶体管饱和。如果晶体管可以提供500的电流增益，则2 mA电流就足够了。

而且，双极结型晶体管还可通过基极偏置电阻器和基极-发射极电压(VBE)大大减少损耗。如果晶体管用作低频开关，则较低的饱和压降可以减少集电极-发射极的功耗，并在标准化芯片表面上实现更高的集电极电流(IC)。

因此，对于全导通状态，低饱和电压双极结型晶体管只需要0.3至0.9 V的低基极-发射极电压，非常适合低压开关应用。控制电压适用于整个工作温度范围。

如果双极结型晶体管用作饱和开关，还会影响集电极区域的电导率，从而在饱和时大幅降低集电极-发射极的电阻(RCE(sat))。MOSFET则不具有这种电导率影响，但这确实增加了基极的反向恢复时间，意味着开关周期变得更长。

由于渡越频率的缘故，双极结型晶体管只能用于涉及几百kHz频率的应用。使用渡越频率除以电流增益因数则产生截止频率。这被定义为电流增益降至–3 dB的阈值(即0.707因数)。因此在应用中与截止频率保持一定距离是很重要的。

延长移动设备的使用寿命

由于低饱和电压双极结型晶体管具有高增益性能，其效率也比常规的BJT和MOSFET更高，因此当与基极电阻器结合使用时，它们可以替代MOSFET和肖特基二极管。这样提供了更长的电池充电使用寿命和降低的组件成本优势，尤其是在移动和/或电池供电应用(例如电动牙刷、剃须刀或手持式搅拌器)中。相比ESD容限超过8,000 V的MOSFET，双极结型晶体管对静电放电(ESD)的敏感性要低得多，并且它们还具有防止电压尖峰的内部保护功能。

晶体管的增益随着温度的升高而进一步增加。同时，在最大允许基极电流下，基极-发射极电压相对于正向电压(VBE(sat))的占比减小了。结果，对于BJT，饱和时的集电极-发射极电阻(RCE(sat))低于相近MOSFET的导通电阻(RDS(on))。与芯片表面积相同的MOSFET相比，BJT在较高的电流密度和/或在连续电流下产生的热量也较少。

同样，在给定的负载电流下，饱和电压仍与功率损耗成比例。因此，低饱和电压双极结型晶体管具有较低的功率损耗，从而降低了散热需求。考虑到总体功率损耗，控制基极所产生的损耗是不容忽视的。当使用具有较高增益的低饱和电压双极结型晶体管时，它们也比较低。

双极结型晶体管的另一个优点是它们可以在两个方向上截止，从而无需额外的反并联MOSFET。BJT晶体管也更便宜，相比MOSFET具有明显的成本优势。

高开关性能

BJT可以提供优于最大允许功率损耗很多倍的开关性能，因为作为开关工作的晶体管具有两个固定的工作点。如果足够的基极电流流入第一个，将导致集电极电流闭合开关，这个开关两端仅存在残余电压降。由于第二工作点的基极电流为零，因此具有全部工作电压的晶体管用作阻断。两个工作点之间的过渡非常快速。这样可以将负载线放置在适当的位置，使得从导通到受阻晶体管(反之亦然)的过渡足够快速以穿过功率损耗双曲线，且不会发生得太频繁。固定工作点仅需位于双曲线的下方。

由于BJT能够在线性范围内进行非常快速的开关运作，并提供具有高电流密度的高脉冲电流，因此它们适合用作控制MOSFET的驱动器。相比专用IC驱动器解决方案，这可以减小尺寸并降低成本。

Diodes的45 V NPN小信号双极结型晶体管BC847BFZ相比同类DFN1006、SOT883和SOT1123组件体积减小40%，并具有更高的性能。

图源：Diodes

小组件、高性能

低饱和电压双极结型晶体管通常在SOT封装中具有12至100 V的最大集电极-发射极电压(VCEO)和高达几安培的集电极电流。目前，世界上最小的双极结型晶体管采用了Diodes的DFN0606-3超小型封装。45 V NPN小信号双极结型晶体管BC847BFZ的占位面积仅为0.36 mm2，高度仅为0.4 mm，相比相近的DFN1006、SOT883和SOT1123组件体积减小了40%，并且性能优于外形更大的相近晶体管产品。这是因为无铅封装允许实现更高的功率密度，而热性能为135°C/W。Diodes的产品模型允许低压应用实现低于1 V的电压开关操作，可让移动设备以最小的功率完全开启。它们具有100 mA的集电极电流和925 mW的功率损耗，特别适合智能手表、健身工具等可穿戴设备，以及智能手机和平板电脑等其他消费类设备。相对应的PNP晶体管产品是BC857BZ。

结论

对于许多电路应用而言，具有低饱和电压的BJT不仅可以替代MOSFET，而且还具有许多优势——例如导通电阻低、控制电压低于1 V、具有出色的温度稳定性以及对ESD不敏感。由于BJT可以在两个方向上阻断电流，因此可以省去第二个MOSFET。低饱和电压双极结型晶体管的功率损耗和产生的热量输出较低，而且价格也比较低。