半导体学报2021年第2期——后摩尔：三维异质集成专刊
综述文章
1
高迁移率Ge和GeSn MOSFET
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。
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
2
多栅结构场效应晶体管的发展和未来：面向工艺及可靠性的挑战
在过去的几十年间，由场效应晶体管为主要构成器件的集成电路在生产生活领域得到了广泛的应用。为了进一步提升器件的性能同时进一步降低成本，很长一段时间内，场效应管的长度按照摩尔定律不断微缩。在进入亚100 nm技术节点以后，单纯依靠器件微缩化已经不能满足应用端对于器件性能以及密度方面的需求。因此，应变工程和高K金属栅工艺技术被工业界采纳，用于提升90 nm到32 nm技术节点的器件性能。在此基础上，平面器件的性能提升空间已经到达瓶颈。从22 nm技术节点至今，三维新结构Si基晶体管利用三维沟道结构，有效的抑制短沟道效应的同时，能够增加单一器件的电流密度，实现后摩尔时代器件性能的持续提升。
浙江大学程然副教授课题组在本篇综述中从三维多栅场效应管的发展历程出发，详细介绍了三维多栅晶体管的机理优势，工艺技术的趋势（如图1），性能以及可靠性方面存在的问题以及在未来技术节点的工艺挑战等。此外，在这篇综述中，作者团队创新性的探讨并对比了多种多栅场效应管的输运机制，特别是自热效应的存在，对这些极小尺寸的多栅器件弹道输运特性的影响（图2）。在文章最后，作者也对亚5 nm技术带之后，多栅晶体管的材料以及工艺选择提出了自己的看法，为研究后摩尔时代逻辑器件的工艺技术和晶体管特性机理提供了非常有价值的参考。
图1. 多栅晶体管的结构随着时间的发展历程（图片来自研究机构以及产业界）。
图2. 几种主要新结构新材料晶体管的弹道输运参数随着器件微缩化的变化趋势。
Ying Sun, Xiao Yu, Rui Zhang, Bing Chen, Ran Cheng
J. Semicond. 2021, 42(2): 023102
doi: 10.1088/1674-4926/42/2/023102
3
基于光子晶体纳米束微腔的硅基片上集成器件
集成电路行业一直在摩尔定律的驱动下，以实现更快的运行速度、更少的功耗和更低的成本为发展目标。然而，随着“后摩尔时代”的到来，金属-氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）技术节点正在向纳米级逐步缩小，器件的特征尺寸已经触及到物理规律的极限。
硅基光子集成器件以其集成度高、尺寸小、与微电子工艺相兼容等优势，可实现微纳光电子器件混合集成，集光子学和电子学优势于一身，被广泛关注和研究。截至目前，不同功能的硅基光子器件已被广泛应用在数据中心、通信、传感、高性能计算以及人工智能等领域。其中，光子晶体纳米束微腔由于其超紧凑尺寸，易与光波导高度集成以及CMOS工艺兼容性高等优势，被认为是可实现高密度片上集成器件的理想平台。
鉴于此，北京邮电大学杨大全副教授课题组和北京大学肖云峰教授对基于光子晶体纳米束微腔的硅基片上集成器件的发展历程进行了回顾，并充分综述了该领域的最新研究进展和未来展望。文章首先介绍了光子晶体纳米束微腔应用于激光器、调制器、开关滤波和无标记传感器等片上集成器件的研究思路、最新成果和发展趋势。详细分析了基于不同结构和材料的光子晶体纳米束微腔器件的性能指标和集成优势。最后，总结了通过混合集成新型功能材料，例如二维材料、电光聚合物等，进一步提升光子晶体纳米束微腔器件的性能指标和片上集成的最新研究进展，并展望其未来的研究应用与发展方向。
Photoic crystal nanobeam cavity devices for on-chip integrated silicon photonics
Daquan Yang, Xiao Liu, Xiaogang Li, Bing Duan, Aiqiang Wang, Yunfeng Xiao
J. Semicond. 2021, 42(2): 023103
doi: 10.1088/1674-4926/42/2/023103
4
迈向光电融合热光反馈控制
图1. 光电融合技术的发展层次。
随着摩尔定律逐步走向终结，集成电路在功率、带宽、速度等方面逐渐逼近性能极限。光子器件可以突破集成电路在带宽、速度等方面的限制，但是缺乏实用的光寄存器及灵活的信号控制，必须与电子器件相结合才能够实现完整的功能。电子和光子现结合充分利用了光与电两方面的优点，被广泛认为是后摩尔时代的重要选项。光子器件受工艺偏差、温度扰动等因素影响比较严重，需要通过闭环反馈控制来维持稳定性和实现正确的状态控制。就硅基光电子而言，热光调制有较高的调制效率及低损耗，是最常用的调节手段之一，但同时也在设计上提出了新的要求，带来了新的挑战。目前国内外大多数的热光反馈控制尚处于版级电路的发展阶段，光学相控阵、光开关、光电神经网络等应用均需要使用大量光子器件，采用板级电路进行热调的方式已经无法满足面积、功耗、可扩展性等方面的需求。随着光子器件逐步走向成熟，光电融合技术即将从器件和集成阶段步入回路设计的下一发展阶段（图1），紧凑的光电融合集成回路（芯片）热调反馈解决方案将是光子集成系统可扩展化的关键。
图2. 热光反馈控制的通用框架。
本文在一个通用的框架下对热光反馈控制进行了详细讨论（图2），该通用框架包括光子器件、光信号监控单元、控制器、功率电路、热调相移单元等模块。该框架可以细化到不同的应用场景中，包括微环滤波器波长控制、微环调制器波长锁定、马赫-曾德尔调制器偏置控制、马赫-曾德尔干涉仪偏压控制、偏振控制、光学相控阵控制、光开关阵列等。现有的大多数设计都是板级解决方案，且没有深入研究系统可扩展性方面的问题，只有极少数的设计实现了芯片级的控制器。美国麻省理工学院、加州大学伯克利分校、加州理工学院等机构在光电混合芯片、光电全集成芯片等光电融合芯片方面开展了前沿的工作，实现了光电融合微环调制器、光电融合光学相控阵等芯片的原型。华中科技大学光学与电子信息学院和武汉光电国家研究中心谭旻课题组在光电融合芯片方面开展了前瞻性的研究工作，提出了光电融合芯片回路设计技术路线图，并在热光反馈控制建模仿真、系统可扩展化等方面进行了系列化的工作，提出了流水线时分复用的波长锁定控制方法，首次在国际上实现了光电全集成PWM闭环热光调节波长锁定芯片。
热光反馈控制对有稳定性和动态操作要求的硅基集成光子系统具有重要意义。本文提出的通用模型可以扩展到波长、偏振、模式等多个维度热光反馈控制的场景，同时也可以从经典光子学扩展到量子光子学。该模型也可以扩展到使用不同材料和结构的光子器件，例如薄膜铌酸锂、磷化铟器件等。与独立设计每个模块相比，基于整体化考虑的热光反馈光电协同设计可以帮助我们获得更好的性能，电子和光子终将融为一体，形成光电融合热光反馈控制回路。后摩尔时代已经来临，越来越多不同性质（光、磁、声、量子等）的新器件将与传统集成电路相融合，混合反馈控制将是实现未来异质系统稳定性、可控动态操作及可扩展化的关键，而光电融合热光反馈控制芯片技术将成为未来异质融合反馈控制芯片的基础，也为我们迈向未来技术提供了一个可行的切入点。
Towards electronic-photonic-converged thermo-optic feedback tuning
Min Tan, Kaixuan Ye, Da Ming, Yuhang Wang, Zhicheng Wang, Li Jin, Junbo Feng
J. Semicond. 2021, 42(2): 023104
doi: 10.1088/1674-4926/42/2/023104
5
光神经计算器件、架构与算法综述
脑科学与类脑研究是国际必争战略性前沿。类脑计算是模拟和借鉴人脑的神经系统结构和信息处理过程，构建出具有学习能力的超低功耗新型计算系统，与冯诺依曼体系架构相比，具有颠覆性创新。微电子技术在类脑计算领域取得重要进展，受限于电子瓶颈及摩尔定律终结，难以进一步提升速度及能效。光神经形态计算具有超快速、超低功耗等优势，开辟了类脑计算的新方向,在光子神经网络加速器、光子智能芯片、无人驾驶、边缘计算等方面具有巨大的潜在应用价值，有望推动新一轮产业革命。但目前在国际上属于起步探索阶段，尚未公认的技术方案，仍需大力探索与发展。
西安电子科技大学郝跃院士研究团队的项水英教授等人面向世界科技前沿，致力于研究全光类脑计算理论及关键技术。开展半导体激光器与类脑计算交叉研究，提出了人工神经元和突触器件的光学实现方法、发展了光神经形态计算理论及算法、提出了“神经元-突触-学习算法”全光脉冲神经元网络框架及一体化理论模型，实现了光脉冲神经网络无监督/监督学习算法、模式识别、联想记忆、声源定位、储备池计算、增强学习等。研究工作有望实现超快速、超低功耗全光计算范式，为光神经形态计算理论及算法、集成技术及芯片研制等奠定理论基础，推动全光类脑计算创新发展。
以上研究工作得到国家自然科学基金优秀青年科学基金项目、国家自然科学基金面上项目、博士后创新人才支持计划等资助。
图. 基于光子器件的全光脉冲神经网络架构及无监督学习算法。
A review: Photonics devices, architectures, and algorithms for optical neural computing
Shuiying Xiang, Yanan Han, Ziwei Song, Xingxing Guo, Yahui Zhang, Zhenxing Ren, Suhong Wang, Yuanting Ma, Weiwen Zou, Bowen Ma, Shaofu Xu, Jianji Dong, Hailong Zhou, Quansheng Ren, Tao Deng, Yan Liu, Genquan Han, Yue Hao
J. Semicond. 2021, 42(2): 023105
doi: 10.1088/1674-4926/42/2/023105
6
硅基晶圆键合工艺综述、实现硅CMOS和III-V-on-Si晶圆单片集成的方法
III–V器件与Si-CMOS在同一Si平台上的异质集成，例如具有集成控制电路的HEMT或LED，在新一代电子和光学系统中显示出了巨大的前景。对于异质集成，直接晶圆键合（DWB）技术通过将不同的材料系统和器件结构直接键合在一起，可以克服材料失配和热失配问题。此外，可以在晶圆级来执行DWB，这减轻了集成校准的要求，并增加了批量生产的可扩展性。
新加坡麻省理工学院研究与技术联盟Kwang Hong Lee教授等人对不同的键合技术进行了简要的综述。然后介绍了单键、双键和多键这三种主要的DWB技术，并对各种异质集成应用进行了演示。同时，详细讨论了微缺陷、表面粗糙度和键合成品率等集成过程中的几大挑战问题。
图.（a）硅-玻璃阳极键合示意图，（b）硼硅酸盐玻璃层介导的硅-硅阳极键合的示意图。
Shuyu Bao, Yue Wang, Khaw Lina, Li Zhang, Bing Wang, Wardhana Aji Sasangka, Kenneth Eng Kian Lee, Soo Jin Chua, Jurgen Michel, Eugene Fitzgerald, Chuan Seng Tan, Kwang Hong Lee
J. Semicond. 2021, 42(2): 023106
doi: 10.1088/1674-4926/42/2/023106
研究论文
1
电子状态密度工程增强准非易失性存储器刷新时间
为了弥补传统易失性存储器和非易失性存储器在数据保持时间和写入速度上的巨大时间间隔，最近科学家提出了第三类存储器，称为准非易失性(QNV)存储器。得益于其基于范德瓦尔斯异质结的半浮栅(SFG)结构，QNV存储器实现了超快的编程速度，同时将刷新时间显著提高到10 s。然而，尽管这一刷新时间远高于DRAM的64 ms，但是依然需要较频繁地刷新来保持数据，进而导致功耗无法有效的降低。因此，目前急需提出新的方法来进一步延长QNV存储器的刷新时间，以降低由于频繁刷新所造成的功耗。
考虑到之前报道的QNV存储器的有限刷新时间是由于高能电子在沟道和浮栅层之间的泄露所引起的，复旦大学微电子学院周鹏教授课题组基于电子状态密度工程设计并制备了一种利用二维石墨烯狄拉克材料来有效截断高能电子泄露的新型QNV存储器。该QNV存储器的刷新时间被有效延长到100 s以上，是以往所有报道的QNV器件当中刷新时间最长的。这一显著提高的刷新时间，可以大幅降低由频繁刷新导致的功耗。因此，本文的研究为开发下一代高速、低功耗存储器件提供了可靠的途径。
图1. QNV存储器数据保持能力。
Enhancement of refresh time in quasi-nonvolatile memory by the density of states engineering
Zhaowu Tang, Chunsen Liu, Senfeng Zeng, Xiaohe Huang, Liwei Liu, Jiayi Li, Yugang Jiang, David Wei Zhang, Peng Zhou
J. Semicond. 2021, 42(2): 024101
doi: 10.1088/1674-4926/42/2/024101
2
γ射线辐照对SOT磁性薄膜和霍尔器件的影响
非易失磁随机存储器（MRAM）因其具有极高的辐射耐受性而受到空间应用领域的广泛关注。其中，自旋-轨道矩磁存储器（SOT-MRAM）具有最优的访问耐久性和访问速度，被认为可替代空间应用的抗辐射SRAM。
通常来讲，SOT-MRAM用磁性薄膜已经在实验上证实对总剂量辐射免疫，然而对SOT-MRAM存储器件的辐射效应研究却相对较少。
中国科学院微电子研究所崔岩等人针对SOT型霍尔器件的总剂量辐射效应进行了重点研究，实验发现SOT霍尔器件的反常霍尔输运特性在辐射过程中出现了明显的可逆变化，这意味着SOT-MRAM的写模式会受到总剂量辐射的影响。该现象可能起源于辐射诱导的非平衡载流子在反常霍尔效应下的异常累积。此项工作将有助于抗辐射SOT-MRAM存储单元的材料、结构设计，为抗辐射SOT-MRAM的研制奠定理论和技术基础。
图.（a）SOT磁性薄膜的结构。（b）SOT霍尔器件的结构。（c）SOT霍尔器件的图像。
The effect of γ-ray irradiation on the SOT magnetic films and Hall devices
Tengzhi Yang, Yan Cui, Yanru Li, Meiyin Yang, Jing Xu, Huiming He, Shiyu Wang, Jing Zhang, Jun Luo
J. Semicond. 2021, 42(2): 024102
doi: 10.1088/1674-4926/42/2/024102
3
中子辐照对电化学金属化存储器运行可靠性的影响研究
氮化镓高压晶体管正在快速进入以快充为代表的千亿级的电力电子市场，并且未来在汽车电子和工业电子等领域拥有着广泛的应用前景。此前，氮化镓电力电子器件陆续克服了八英寸GaN-on-Si大尺寸外延技术，电流崩塌，以及p-GaN栅极增强型技术等诸多难题。然而，其竞争对手硅基电力电子芯片大多是单片集成电路（Power ICs）或功率模块（Power modules）。因此，我们迫切需要开发氮化镓高压单片集成电路，以便降低成本，简化系统设计，抑制互连造成的寄生电感，并和硅基芯片争夺市场。
Power ICs中除了大尺寸的高压大功率器件外，还包括众多的驱动电路和保护电路，并且需要复杂的BCD以及深槽隔离技术。由于缺乏GaN pFET，我们无法制备GaN CMOS电路，这对GaN power ICs的设计造成了巨大的困难。Intel在2019年的IEDM会议上报道了硅pFET和GaN nFET的异质集成技术，该方案在短期内有着巨大的应用价值。长期来讲，开发GaN pFET是必须要解决的难题。
近日，欧洲微电子中心IMEC的李祥东博士等人在本文提出了使用 Resistor-transistor logic（RTL）结构替代CMOS结构的方法。常规的CMOS电压比较器（comparator）采用五管结构即可实现较高的电压增益，然而由GaN RTL逻辑设计的比较器的电压增益远小于CMOS逻辑。因此，该文提出了GaN RTL三级比较器电路（图1.a），并采用与CMOS兼容的工艺成功制备了八英寸GaN-on-SOI集成电路。图2展示了GaN比较器输出电压信号良好的翻转特性。作者还进一步展示了基于该比较器的低压关断保护电路。
图1. GaN RTL比较器（a）电路和（b）显微镜照片。
图2. GaN RTL比较器的电压传输特性。
此前，该课题组还在IEDM和IEEE EDL上发表过多篇基于RTL逻辑的GaN高压集成电路。本文成功验证了GaN RTL逻辑能够有效应用于逻辑电路的核心模块-比较器，此工作为实现GaN高压器件与驱动电路和保护电路的完全集成奠定了基础。未来all-GaN power ICs有望成为硅基电力电子芯片的强有力的竞争对手。
Integration of GaN analog building blocks on p-GaN wafers for GaN ICs
Xiangdong Li, Karen Geens, Nooshin Amirifar, Ming Zhao, Shuzhen You, Niels Posthuma, Hu Liang, Guido Groeseneken, Stefaan Decoutere
J. Semicond. 2021, 42(2): 024103
doi: 10.1088/1674-4926/42/2/024103
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《半导体学报》简介：
《半导体学报》是中国科学院主管、中国电子学会和中国科学院半导体研究所主办的学术刊物，1980年创刊，首任主编是王守武院士，黄昆先生撰写了创刊号首篇论文，2009年改为全英文刊Journal of Semiconductors（简称JOS），同年开始与IOPP英国物理学会出版社合作向全球发行。现任主编是中科院副院长、国科大校长李树深院士。2019年，JOS入选“中国科技期刊卓越行动计划”。2020年，JOS被EI收录。
“中国半导体十大研究进展”推荐与评选工作简介：
《半导体学报》在创刊四十年之际，启动实施 “中国半导体年度十大研究进展”的推荐和评选工作，记录我国半导体科学与技术研究领域的标志性成果。以我国科研院所、高校和企业等机构为第一署名单位，本年度公开发表的半导体领域研究成果均可参与评选。请推荐人或自荐人将研究成果的PDF文件发送至《半导体学报》电子邮箱：jos@semi.ac.cn，并附简要推荐理由。被推荐人须提供500字左右工作简介，阐述研究成果的学术价值和应用前景。年度十大研究进展将由评审专家委员会从候选推荐成果中投票产生，并于下一年度春节前公布。
2020年度十大进展已于2021年2月8日正式发布！
JOSarXiv预发布平台简介：
半导体科技发展迅猛，科技论文产出数量逐年增加。JOSarXiv致力于为国内外半导体领域科研人员提供中英文科技论文免费发布和获取的平台，保障优秀科研成果首发权的认定，促进更大范围的学术交流。JOSarXiv由《半导体学报》主编李树深院士倡导建立，编辑部负责运行和管理，是国内外第一个专属半导体科技领域的论文预发布平台，提供预印本论文存缴、检索、发布和交流共享服务。
JOSarXiv于2020年1月1日正式上线（http://arxiv.jos.ac.cn/），通过《半导体学报》官网（http://www.jos.ac.cn/）亦可访问。敬请关注和投稿！
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