无结场效应晶体管器件的发展历程

2010年，爱尔兰 Tyndall 国家研究所的J.P.Colinge 等人成功研制了三栅无结场效应晶体管，器件结构如图1.15所示。从此，半导体界兴起了一股研究无结场效应晶体管的热潮，每年的国际电子器件会议（IEDM）及 IEEE 杂志均有该器件的研究报道。Intel公司也对无结场效应晶体管表现出强烈的兴趣。

2011年，新加坡IME的P.Singh等人研制成功圆柱体全包围栅无结场效应晶体管，其器件制造工艺与前面介绍的 GAAC器件工艺非常接近。相较于传统工作于反型模式的圆柱体全包围栅场效应晶体管，该器件表现出更加优异的电学性能、极低的低频噪声及高可靠性。

为进一步提高器件性能，降低漏电流，2012年，IBM 的研究人员提出并实验了一种 SOI平面结构无结场效应晶体管，其沟道掺杂浓度采用梯度分布，由表及里浓度逐渐降低，器件的性能进一步得到改善。这是由于降低了远离栅极沟道部分的掺杂浓度，使其载流子容易耗尽，可以大大降低器件关态漏电流。

受IBM 研究人员的启发，肖德元对其早期提出的圆柱体全包围栅无结场效应晶体管器件结构进行了改进，其圆柱体沟道掺杂浓度采用梯度浓度分布，由圆柱体表面至中心浓度逐渐降低，如图1.16所示。制造工艺并不复杂，在圆柱体沟道表面沉积一层磷掺杂或者硼掺杂的二氧化硅牺牲层，经高温无限表面源扩散，在圆柱体沟道内就可以形成梯度掺杂浓度分布，之后再去除二氧化硅牺牲层。器件模拟结果表示，器件的性能可以进一步得到改善。

其实人类历史上提出的第一个固态晶体管是无结场效应晶体管（JunctionlessTransistor）。1928年，Julius Edgar Lilienfeld 申请了一个名为“一种控制电流的器件”的美国专利（专利号 1900018）。Lilienfeld 在他的历史性专利中第一次描述了场效应晶体管（Field Effect Transistor,FET）概念，很像现代的JFET器件。在他的设计中提出了一个三端器件，如图1.17所示，按照现代的说法，从硫化铜源极到漏极的电流由来自铝金属栅的电场所控制，金属栅与硫化铜沟道由氧化铝栅介质材料隔离开来。施加于栅极电压使得硫化铜薄膜的载流子被耗尽，从而调节其电导率。理想情况下，应该可以完全耗尽掉硫化铜薄膜里的载流子，在这种情况下，器件沟道电阻变成准无限大。在硫化铜薄膜上开一个V形沟槽有助于在此处将硫化铜薄膜里的载流子耗尽掉，使器件更容易关闭。因此，在一定意义上可以说，第一个晶体管就是一个无结场效应器件，很遗憾，Lilienfeld 从来也没有发表任何关于这种器件的研究文章。限于当时有限的半导体知识及技术条件，人们还不能制作出这种正常工作的无结场效应器件，USP1900018 专利被掩埋在历史长河中，几乎被人遗忘，直到2012年，该原型器件才由Shinji 等人制作出来。器件的栅长只有3nm，如图1.18所示，却有不俗的性能表现。