中科院研发异质结隧穿晶体管，用于更低功耗的半导体器件技术中

他叫苗金水，目前的工作单位也是自己获得硕士学位的地方。2014 年，在中科院读完硕士之后，他来到美国密歇根州立大学攻读电子工程博士，后在宾夕法尼亚大学完成博士后研究。

2020 年 9 月，他回到自己曾经读书的地方——中国科学院上海技术物理研究所红外物理国家重点实验室，从当初的学生蜕变为老师，担任研究员、博士生导师。

图 | 苗金水（来源：苗金水）

近日，苗金水团队设计出一款基于二维原子晶体和硅半导体的范德华异质结隧穿晶体管，借此在栅极与漏极电压协同调控下，研究了隧穿电子的输运行为，获得了高电流密度和低功耗的晶体管。

据介绍，通过电容耦合的栅极静电场调控半导体异质结的能带结构，可以有效调控电子的带带隧穿效率。实验中，隧穿晶体管获得了最低 6.4mV/decade 的极低亚阈值摆幅，以及较高的电流开关比（106）和开态电流密度。

对于二维原子晶体与体半导体范德华异质结构在高性能电子与光电子器件的应用上，这一成果提供了理论与实验基础。

此外，考虑到二维原子晶体的晶圆级外延技术的不断发展，二维原子晶体与体半导体的混合维度异质集成方法，为下一代高性能、低功耗电子与光电子器件的研制带来了光明前景。

在电子器件方面，这种范德华异质结器件兼具低功耗和三维集成等优点，而这也是目前集成芯片的主流发展方向，因此有望用于更高集成的半导体芯片技术上。

在光电子器件方面，例如光电探测器，当下也正朝着更高分辨率、更低功耗、更小体积、更高性能的方向发展，

对于相关论文评审专家表示，该工作将二维原子晶体优异的局域场调控特性、与硅半导体完善的掺杂技术完美结合了起来。呈现出了令人信服的结果，其中包括极低的亚阈值摆幅、高的开关比和开态电流。

器件的高性能进一步证明了二维原子晶体/硅半导体异质结清晰的能带边界、以及高质量的异质界面。

总体而言，该工作代表着超低功耗和大规模逻辑开关设计的突破，报告了令人振奋的新结果，将推动电子学领域的发展。

（来源：Nature Electronics）

据介绍，当前的半导体芯片由数十亿个晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET）组成。

晶体管就像水龙头一样，而流经晶体管的电流就像水流，通过栅极电压控制晶体管沟道的电流，可以实现开启（高电流态）和关闭（低电流态）状态，输出二进制“1”和“0”信号，进而完成各种复杂的逻辑计算功能。

栅极电压对晶体管电流的控制能力，主要通过亚阈值摆幅表示，其单位为 mV/decade，即实现电流一个量级的变化所需要施加的栅极电压大小。显然，亚阈值摆幅越小，晶体管工作所需要施加的栅极电压就会越小，芯片的功耗就越低。

然而，室温下晶体管的亚阈值摆幅受玻尔兹曼热力学极限的制约，难以突破 60mV/decade 的理论极限。

另外，随着晶体管尺寸的不断微缩，密度不断增加，功耗大大增加。因此，降低功耗成为半导体芯片技术发展长期面临的巨大挑战。

针对这一挑战，隧穿晶体管（Tunnel Field-Effect Transistor, TFET）的概念被提出来。与传统晶体管的热电子发射理论相比，隧穿晶体管可以通过控制电子的隧穿过程，实现晶体管的开启和关闭。

隧穿过程表现为电子总能量低于能量势垒时，也存在一定的几率穿越过势垒，是一种典型的量子化行为。

这种量子隧穿机制不符合人们的常规经验，但却赋予了微观粒子和晶体管器件无限的可能，可以突破亚阈值摆幅的理论极限，实现更低功耗的半导体芯片。

过去几十年间，隧穿晶体管吸引了众多学者的关注，基于硅和 III-V 族半导体异质结的隧穿晶体管已被成功研制出来。

但是，受限于隧穿界面结构的质量以及隧穿电子的调控效率，使得隧穿晶体管难以满足应用需求，是该领域亟需解决的关键科学问题。

针对这些问题，苗金水团队设计并研制了上述晶体管。二维原子晶体的厚度在纳米量级（比普通 A4 纸薄 1000 倍以上），在这一微观尺度下材料表现出了很多独特的物理特性。 这为二维原子晶体与硅半导体集成、以及研制高性能电子或光电子器件提供了新思路。

一方面，二维原子晶体表面无悬挂键，易与体半导体（硅、锗、III-V 族、Ⅱ-Ⅵ 族）集成，形成低缺陷范德华异质界面、以及局域场可调控的能带结构和电子浓度，这为实现更低的亚阈值摆幅提供了可能。

另一方面，硅半导体成熟的工艺和多样化应用场景，也为研制基于二维原子晶体/硅半导体异质结多功能器件，提供了更多的可能性。

近日，相关论文以《基于二维金属硒化物和三维硅的异质结隧道三极管》（Heterojunction tunnel triodes based on two-dimensional metal selenide and three-dimensional silicon）为题发表在 Nature Electronics 上，苗金水是第一作者兼通讯作者，美国宾夕法尼亚大学电气与系统工程系教授迪普·贾里瓦拉（Deep Jariwala）担任共同通讯作者 [1]。

图 | 相关论文（来源：Nature Electronics）

面向国家重大需求，开展红外光电探测器研究

苗金水表示，二维原子晶体与三维体半导体的异质集成，结合了不同维度材料体系的各自优势，不仅能够应用于低功耗晶体管。同时，相关结构和思路也可用于光电子领域、特别是光电探测器方面。

目前，他所在的中科院上海技物所红外物理国家重点实验室，主要面向国家重大需求，开展红外光电探测器领域的研究。

所以，其下一步的主要计划是将这种混合维度异质集成的结构，应用在高性能红外光电探测器领域。

他的另一个研究方向是仿生智能红外光电芯片，通过模仿人类的视觉系统（视网膜和大脑神经网络），结合三维堆叠技术，将类视网膜的红外光电探测器与类脑的神经网络硬件进行一体化集成，实现仿生的红外感存算一体化集成芯片。

目前，他和团队提出了不同维度材料体系异质集成的方法，非常适用于构筑三维结构的仿生红外感存算一体化集成器件。

“回国从事科研工作，有种当家作主的感觉”

而关于回国发展，苗金水讲了这样一个故事：“我们中科院上海技术物理研究所红外物理国家重点实验室有这么一位老先生，他在新中国成立之前留学美国芝加哥大学，并在高压物理领域取得了卓悦的成就。

新中国成立之后他更是毫不犹豫地放弃了在美国的优越生活和科研条件，放弃了继续攻读博士的机会，成为了我们新中国成立后留美留学生中第一批回国的 11 人之一。”

这位老先生就是中国半导体学科和红外学科创始人之一的汤定元院士。20 世纪 50 年代初，中国正处于百废待兴的时刻，回国之后的汤定元很快注意到事关国防建设的核心红外科学与技术在国内几乎为空白状态，于是他一连给国家有关部门写了“三封信”。

正是由于他的建议，红外技术与应用光学并列成为国家的科研发展重点。“在他的带领下，我们中科院上海技物所成为了红外探测方向的主要科研单位。

直到今天，业内人士仍用‘力挽狂澜’和‘中流砥柱’来形容汤定元先生，他是我国红外科学领域当之无愧的奠基人。”苗金水说。

图 | 汤定元院士（来源：资料图）

随着汤定元的这三封信，中国红外技术从基础研究发展至空间应用等广阔领域。

“而在 2011 年至 2014 年，我在上海技物所红外物理国家重点实验室攻读硕士研究生的时候，汤先生的这种为国为民的‘科学家精神’就一直影响着我。”苗金水表示。

他继续说道：“当今中国已经为我们青年人才创造了最好的条件，现阶段我们的科研条件要比老一辈科学家年轻时候好太多，我们没有理由不回国。

中国科学院也积极响应国家号召，出台了很多扶持青年人才的政策，例如中国科学院‘基础研究十条’，就提出要加快建设面向 2030、以青年科学家为主体的高水平基础研究人才队伍。”

而苗金水目前从事的红外光电探测芯片领域，被广泛应用于国防安全、深空探测、夜间监测、红外遥感等领域，正是国家急需的重大战略研究方向。

他补充称：“回国从事科研工作，有种当家作主的感觉。同时，作为一名中科院的科研工作者，我们更要有作为‘国家队’‘国家人’、心系国家事、肩扛国家责的精神。”

参考资料：

1.Miao, J., Leblanc, C., Wang, J. et al. Heterojunction tunnel triodes based on two-dimensional metal selenide and three-dimensional silicon. Nat Electron 5, 744–751 (2022). https://doi.org/10.1038/s41928-022-00849-0

MMIC设计中的异质结双极晶体管(HBT)和二极管以及传输线介绍

异质结双极晶体管（HBT）类似于标准双极晶体管，不同之处在于基极 - 发射极结通常是两种不同半导体材料组成的半导体结，而不是具有不同掺杂浓度的相同材料。例子包括用AlGaAs做成的发射极和GaAs基极制造的HBT，磷化铟镓（InGaP）发射极和GaAs基极，以及InP发射极和InGaAs基极。通过使发射极层重掺杂并且轻掺杂基极层，同质双极晶体管保持良好的注入效率（从发射极注入基极的电子与从基极注入进入发射极的空穴的比率）。而HBT通过结处防止空穴注入发射极的能带隙差来实现注入效率。这允许基极层更重的掺杂，这极大地降低了基极电阻，并且这减少了器件的传输时间并增加了其频率响应。增加的基极掺杂还具有通过增加基极 - 集电极电压使基极不易变窄的效果，因此具有更平坦的I / V特性和更负的早期（Early）电压。图1显示了工作频率为5.8 GHz的InGaP HBT功率放大器的示例。

图1、工作频率为5.8 GHz的InGaP HBT功率放大器

SiGe HBT与标准硅双极晶体管不同，因为基极由不同的半导体材料即SiGe构成，采用硅基极和发射极层形成异质结。SiGe基极层在其厚度上具有倾斜的锗浓度，这产生的电场能减少电子从基极移动到集电极中的传输时间。这使得SiGe HBT能够以比硅双极性更高的频率工作，并且允许基于硅的电路用于许多微波应用中。

2.1.1 晶体管的频率响应

随着频率每倍频程增加，晶体管的增益会降低约6 dB，如图2所示。然而，增益级不一定必须要设计成以高的低频增益工作，因为它可能不稳定并且振荡。JM Rollett根据晶体管的散射参数（s参数）确定稳定系数K ，如方程（1）中给出，当晶体管无条件稳定时（无论晶体管的输入或输出呈现什么阻抗，它都不会振荡。），其具有大于1的值。在频率范围的这个区域，其中K>1，最大传感器增益（GMAX）等于晶体管的最大可用增益（MAG），如方程（2）所示。

稳定系数K：

方程(1)

方程（2）

在K<1的频率处，最大换能器增益（GMAX,maximum transducer gain）等于方程（3）给出的晶体管的最大稳定增益（MSG，maximum stable gain）。

图2、晶体管增益和稳定系数与频率的关系

方程（3）

无源组件

二极管

MESFET MMIC工艺中的二极管通常从栅极肖特基接触到低掺杂半导体帽层产生。与专用的肖特基二极管MMIC工艺相比，这些二极管往往具有更高的串联电阻，但这种串联电阻可以通过替代工艺的方法来降低。就其低频1 / f噪声而言，InP HBT二极管的噪声低于基于InP HEMT的二极管，这对振荡器和混频器应用非常有用。双极工艺中的二极管可以用基极 - 发射极结或基极 - 集电极结形成。

传输线

当电子元件用低频（<1MHz）导线连接在一起时，元件之间的距离与信号的波长相比非常小，因此可以假设在导线上的任何地方，电压幅度都是相同的。而在射频和微波频率下，即使在微小的MMIC上，组件之间的距离也可能是信号波长的重要部分;连接金属轨道任何一点的电压都是信号幅度和相位的函数，因此此时必须将互连金属线视为传输线。

MMIC中最常用的传输线称为微带线，它由介质基板上的金属轨道走线组成的，背面有无限接地层，如图3所示。轨道走线宽度和基板高度具有有限的尺寸，并且接地平面和基板宽度以及长度被假定为无限大。

电场主要限制在轨道走线的下方，但它确实从轨道走线的边缘延伸了很长的距离。微带传输线的特性主要由轨道走线的宽度与电介质高度的比（w / h）决定的，因为它们对电场和磁场模式存在主要的影响。如图3所示，宽度与基板高度相似的走线轨道，具有更多的平行度轨道走线下方的电场，类似于平行面板电容器，因此看起来更具电容性。而如图4所示，宽度比基板高度窄得多的轨道走线具有紧密堆积的磁场线，看起来更像是简单的导线;因此，它表现得更具电感性。这些场模式还显示了最小走线轨道间隔距离的经验法则如何与走线轨道和基板尺寸相关。经验法则是，金属走线轨道应该与边缘分开一个基板高度或者三个走线轨道宽度（以较小者为准），以允许合理地靠近放置，保持轨道走线之间的耦合程度最小。

图3、通过宽微带传输线的剖面图，图中显示出了电场和磁场模式

图4、窄微带传输线的剖面图，显示出了电场和磁场模式

无限短的均匀传输线的等效电路如图5所示，其中R是每单位长度的电阻，L是每单位长度的电感，G是每单位长度的电导，C是每单位的电容长度。完整的传输线是无限数量的这些组件级联起来的。当将其应用于微带线时，R表示导体和介电损耗，G表示基板的有限电导;这些是二阶效应，并且在简单的传输线分析中可以忽略不计。

在这种情况下，传输线的特征阻抗由方程（4）给出，沿传输线的传播速度由方程（5）给出。

特征阻抗：

方程（4）

波的传播速度：

方程（5）

公式(4)还表明，窄轨道走线将比宽轨道走线每单位长度更具电感性，因此窄轨道走线将具有更高的特征阻抗，而宽走线轨道的单位长度更具电容性。

图5、无限小的传输线部分的等效电路

从图3和图4中还可以看出，沿微带传播的电磁波的电场和磁场分量位于衬底电介质内和衬底上方的空气内，这使微带成为不均匀的传输线。这意味着在微带线中的传输模式不会是纯横向电磁（TEM， transverse-electro-magnetic）模式，因为电磁波在这两种电介质中的传播速度是不同的，因此不能维持单个TEM模式。实际传播模式是横向电（TE）和横向磁（TM）模式的混合，其在每个电介质中具有相等的传播速度;这被称为准TEM模式，并且可以近似被认为是在均匀电介质内行进的纯TEM模式，其具有的“有效”相对介电常数（ξeff）介于基板衬底的相对介电常数（ξr）和空气的相对介电常数（1）之间的值。宽走线轨道的有效介电常数的值将倾向于基板材料的相对介电常数，因为大部分电场将位于轨道走线的下方和介质基板中，并且窄轨道的值将倾向于在基板材料和空气的相对介电常数之间的平均值，因为电场几乎在它们之间共享，如方程（6）所示。

有效相对介电常数ξr的范围：

方程（6）

有效的相对介电常数ξeff：

方程（7）

图1中沿微带传输线传播的准TEM模式的有效相对介电常数的近似值（在2％以内）由方程（7）给出，其中h是基板高度，w是走线轨道宽度，并且ξr是衬底材料的相对介电常数。准TEM模式的相速度比自由空间的相速度慢了一个因子ξeff，如（8）所示，因此波长为准TEM微带模式比自由空间短，由方程（9）给出：

微带传输线的相速度：

方程（8）

微带传输线的波长：

方程（9）

当比率w / h小于1时，微带传输线的阻抗在方程（10）中给出，当大于1时，在方程（11）中给出微带传输线的阻抗。

方程（10）

方程（11）

在MMIC工艺中，基板高度通常固定为100μm或200μm，因此走线轨道的阻抗由走线轨道的宽度设定。MMIC工艺的实际轨道宽度范围为约6μm至120μm，这对应于约120ΩW降至40ΩW的微带特征阻抗。

上述公式适用于计算微带传输线的阻抗和波长的近似值，但实际上，由MMIC工艺制造的微带传输线比图3和4中所示的简单形式更复杂，并且它们的特性不容易从封闭的数学方程式表达。例如，图6显示一些互连金属走线轨道被轻微蚀刻到基板材料中，并且可以位于多个介电层的上方或下方，多个介电层远离金属走线轨道的边缘处的平面，其中电场最集中。因此，许多代工厂使用二维半（2.5D）的仿真工具来找到微带阻抗的值，然后使用MMIC工艺制造的环形谐振器给出有效相对介电常数和每单位长度损耗的值。使用2.5D模拟器得到的200μm厚基板上的微带传输线的特征阻抗如图7所示，上下金属层轨道作为轨道走线宽度的函数。典型的微带环谐振器测试结构如图8所示，这种谐振器的传输响应类型如图9所示。

图6、MMIC微带传输线的更现实的结构

图7、在200μm厚的GaAs衬底上的上下金属层中生成的微带线的特征阻抗。

图8、用于微带传输线表征的环形谐振器

图9、典型的环形谐振器的传输响应

谐振器的长度设计成在要表征的频率范围内产生大约六个谐振传输峰值。应调整环形谐振器的电容耦合，使其最大传输损耗约为-20 dB，因此测量的是环的无负载响应，同时保持最低传输峰值远远超出系统测量的本底噪声。当构成环的传输线的长度是在传输线上传播的波的整数个波长数量时，环在传输中谐振。谐振峰值的宽度由谐振器的Q因子确定，并用于确定传输线的损耗。因此，可以拟合物理传输线模型，其具有特征阻抗（Z0），有效相对介电常数（ξeff），每单位长度损耗（A）和物理长度（L）的参数，以及围绕每个谐振峰值的测量数据。

在拟合模型的过程中，特征阻抗值来自传输线结构的2.5D的仿真模拟，物理长度是构成环形谐振器的轨道中心线的长度，然后谐振的中心频率确定有效的相对介电常数，并且谐振的宽度决定了损耗。还必须注意用于拟合模型的每个谐振峰值周围的测量数据范围。数据至少应涵盖-3-dB点，并且理想情况下还指向谐振两侧的-6-dB点，以得出传输线损耗的准确值。然而，来自共振峰的裙边的数据也应该被丢弃，因为它们离共振的中心频率太远并且倾向于使损耗值偏斜。

该表征过程给出了在整个频率范围和一个走线轨道宽度的六个频率点处的特征阻抗（Z0），有效相对介电常数（ξeff）和每单位长度损耗（A）的值。然后必须在铸造工艺允许的范围内对几个不同的走线轨道宽度重复该过程。作为频率和走线轨道宽度的函数，这些参数的变化是相当平滑的，因此它们在谐振频率和测量的走线轨道宽度之间的值可以通过内插确定。

通过这种方法得到的200-μmGaAs衬底上30μm宽的用于构建在下部和上部金属层中的微带走线轨道的传输线的典型损耗（以分贝为单位）如图10所示。通过这种方法得到的GaAs微带线的典型有效介电常数如图11所示。

图10、在200-μmGaAs衬底上从上下金属层产生的30-μm宽的微带线的损耗

图11、GaAs衬底上微带线的有效介电常数

MMIC中使用的第二常见传输线是共面波导（CPW），它由介质基板同一表面上的金属走线轨道和接地平面组成，走线轨道与接地平面之间有固定间隙，如图12所示。轨道走线宽度和间隙是有限的尺寸，地平面和衬底基板的高度，宽度和长度假定为无限大。注意，CPW的接地平面部分的宽度也对其传输线的特性阻抗也有影响。这在大多数情况下很小，在分析简单的线路长度时并不重要。然而，在密集封装的MMIC中，必须减小地平面以为其他部件腾出空间，就可能需要考虑其影响了。电场和磁场均在两者中即电介质基板和上面的空气中传播，因此CPW中的传播模式也是准TEM 模式。

图12、CPW传输线

电场主要限制在走线轨道和共面接地平面之间，并且通常没有延伸到衬底基板的底表面。这意味着衬底晶片不需要从超过600μm的买入厚度减薄，从而消除了昂贵的工艺步骤并且比薄的晶片更加坚固。衬底基板的后表面可以保持清洁或金属化。如果在后表面上使用金属，则传输线被称为接地共面波导（GCPW， grounded coplanar waveguide），但其特性与普通CPW相同，并且基板厚度远大于走线轨道宽度。CPW传输线的特性主要由走线轨道宽度与到地平面的间隙的比率w / g确定，因为这是对传播的电场和磁场模式的主要影响。已经开发了导出CPW的特征阻抗的方法，并且GaAs衬底上的CPW的w / g比为约2以提供50ΩW的阻抗。

具有较高比率（即，走线轨道宽度远大于间隙）的CPW具有较低的阻抗，因为间隙的闭合增加了并联电容并降低了磁场密度。具有较低比率的CPW（即，具有比间隙窄得多的走线轨道宽度）具有较小的并联电容，并且磁场线更紧密地包裹并且看起来更类似于简单的走线;因此，它表现得更具电感性。理论上，实际的走线轨道和间隙尺寸可以按比例放大或缩小，并且对于相同的w / g比，阻抗将是相同的。然而，当尺寸变得非常小时，走线轨道的厚度在确定阻抗时开始起很大作用，并且传输损耗开始变大。

CPW倾向于用于在高微波和毫米波频率下工作的电路，例如图13中所示的44.5GHz直接调制器MMIC，因为微带在这些频率下可以变成多模的。

其他传输线，例如共面条带和槽线，也都可用于MMIC中，但它们的应用主要在用于混频器和天线的平衡 - 不平衡转换器（ baluns）领域中。

低电阻率衬底上的传输线存在几个问题，这些问题对于高电阻率衬底可以忽略不计。这些问题包括慢波效应，传输线损耗增加，以及精确表征传输线的难度增加。

图13、使用CPW传输线的44.5 GHz直接调制器

例如，用于标准CMOS工艺的硅衬底具有大约1到20Ω/ cm的电阻率;结果，这些基板上的无源组件和互连具有高损耗和低Q因子，尤其是在微波和毫米波频率下。已经开发出技术来克服这个问题，例如使用高电阻率（1,500ΩW/ cm）硅衬底，屏蔽从硅衬底的组件[45]，并用微机电系统（MEMS）工艺去除组件周围的硅。这些技术正在实现最先进的性能，并且允许对低电阻率衬底进行全面表征，但它们与商业硅工艺处理步骤的兼容性还有很长的路要走。但是，如果铸造代工厂可以提供高电阻率的基板，并且设计人员可以使用CPW等传输线，那么损耗可以降至接近通常用GaAs衬底基板相关的水平。事实上，越来越多的使用基于硅技术的高频芯片公布出来，这正在形成这样一个证据：现在很明显，硅MMIC和射频集成电路（RFIC）是在微波频率频率范围内具有商用可能性。

传输线结，其中一条传输线连接到具有不同尺寸的另一条传输线，连接到多于一条其它传输线上，或连接到组件，都倾向于在不连续点的位置产生非传播的渐逝凋零模式，以满足麦克斯韦方程。这些模式随着距离结的距离增加而快速消失，但可以产生使结看起来像小的集总电感或电容的效果。

当一个金属层上的传输线穿过另一个金属层上的传输线时，它们仅通过它们之间的介质层分开。这会导致它们之间的电容耦合，并且可以计算为重叠金属区域的平行板电容，使用它们之间的介电层的平均介电常数和金属层的分隔距离以及我们在后面的章节中会介绍公式来计算。

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