2、纳米计算物理层——硅基与碳纳米管技术解析

纳米计算物理层——硅基与碳纳米管技术解析

1. 纳米技术时代的半导体发展与挑战

过去三十年，半导体行业遵循摩尔定律呈指数级增长，集成密度大幅提高，芯片功能从简单加法器发展到片上系统。进入纳米技术时代，半导体器件将缩小到物理极限，为电路和系统工程师带来了诸多挑战。

• 硅晶体管缩放问题

  • 短沟道效应 ：在缩放的MOSFET器件中，随着沟道长度减小，阈值电压Vth降低。长沟道器件中，源极和漏极的耗尽区对器件大部分区域的电位或电场模式无影响，阈值电压几乎与沟道长度和漏极偏置无关。但在短沟道器件中，源极和漏极的垂直耗尽宽度与有效沟道长度相当，导致源极和漏极的耗尽区相互作用，降低了源极和沟道之间的势垒，从而降低了阈值电压。此外，漏极电压也会对短沟道器件的势垒产生显著影响，高漏极电压会进一步降低阈值电压，这种现象称为漏极诱导势垒降低（DIBL）。
  • 漏电流问题 ：随着DIBL增加，器件的Vth显著降低，导致亚阈值漏电流增加。亚阈值或弱反型电流是指栅极偏置电压小于Vth时MOSFET的漏极电流。为了缓解Vth降低的问题，通常会增加沟道掺杂，但对于缩放器件，增加的晕环掺杂会导致结带间隧穿（BTBT）电流增加。此外，随着氧化物厚度的缩放，栅极隧穿漏电流也变得越来越显著。
  • 工艺变化 ：随着器件尺寸不断缩小，控制关键工艺参数（如栅极长度、氧化物厚度和掺杂浓度）变得越来越困难，随机掺杂波动也会导致阈值电压的显著变化，从而影响逻辑门的开关延迟和晶体管泄漏。工艺变化还会导致生