场效应晶体管（MOSFET）是构成集成电路的基本元件，集成电路技术进步很大程度上依赖MOSFET性能的提升。对于传统的Si MOSFET，遵循“摩尔定律”通过缩短沟道长度获得性能更好的MOSFET。但是，在目前量产级的Si MOSFET器件沟道长度已经小于20 nm的情况下，进一步减小沟道长度将导致严重的短沟道效应。为了突破这一瓶颈，人们提出采用高迁移率半导体替代Si作为MOSFET沟道材料的等效微缩方法。Ge和GeSn具有比Si高得多的载流子迁移率，与Si相同的晶体结构也使得它们容易与传统Si基制造平台兼容。
针对高迁移率Ge、GeSn器件关键技术，西安电子科技大学微电子学院韩根全教授、浙江大学微纳电子学院张睿副教授团队展开了深入研究。提出了后氧化（postoxidation）制备高质量超薄界面钝化层、表面Si钝化等一系列迁移率提升技术。在Ge MOSFET中实现了等效氧化层厚度小于0.6 nm的超薄栅极堆栈结构，并获得了比Si MOSFET高4倍的载流子迁移率。通过提高GeSn沟道中Sn含量的方法，调控GeSn能带结构并减小载流子有效质量，在Ge MOSFET的基础上进一步将载流子迁移率提升了1.5倍。
这些结果显示，通过优化栅极堆栈制造工艺，并调控沟道材料组分，能够在Ge和GeSn MOSFET中获得比Si器件中高得多的载流子迁移率，在不改变器件尺寸的情况下实现更高的电学性能，证实了Ge和GeSn作为未来高性能集成电路器件沟道材料的巨大潜力。
Mobility enhancement techniques for Ge and GeSn MOSFETs
Ran Cheng, Zhuo Chen, Sicong Yuan, Mitsuru Takenaka, Shinichi Takagi, Genquan Han, Rui Zhang
J. Semicond. 2021, 42(2): 023101
doi: 10.1088/1674-4926/42/2/023101
Full Text: http://www.jos.ac.cn/article/doi/10.1088/1674-4926/42/2/023101?pageType=en
