Кратко: при наноразмерах квантовое туннелирование становится важным фактором, который как ухудшает классические CMOS‑параметры (утечки, шум, разброс), так и открывает новые рабочие принципы (TFET, RTD, SET). Ниже — основные воздействия и распространённые подходы управления туннелированием.
Влияние туннелирования
- Утечка через тонкий диэлектрик (gate oxide): электроны туннелируют через тонкий окисел → рост статического тока и мощности в режиме OFF. Ток описывается приближённо законом Фаулера–Нордгейма/WKB, например
$$J\propto E^2\exp (-\frac{4\sqrt{2m^{\ast }}{\varphi }^{3/2}}{3\hslash qE}),$$ где $E$ — напряжённость поля, $\varphi$ — барьер, $m^{\ast }$ — эффективная масса.
- Прямой туннель сток‑исток при очень коротком канале: передача через потенциальный барьер зависит экспоненциально от ширины/высоты барьера (WKB):
$$T\approx \exp (-\frac{2}{\hslash }{\int }_{x_1}^{x_2}\sqrt{2m^{\ast }(V(x)-E)}dx).$$ Это повышает OFF‑ток и портит масштабирование.
- Банд‑ту‑банд туннелирование (BTBT): в узкополосных материалах и при больших полях → существенные утечки и явления под порогом.
- Изменение порогового напряжения и вариабельность: квантовое ограничение, флуктуации допинга и интерфейсных состояний сильнее влияют при малых объёмах канала.
- Квантовые полезные эффекты: устройства на туннелировании (TFET, RTD, SET) дают возможность низкого порогового склона ($<60$ mV/дек при TFET) или одиночных электронных эффектов (энергия зарядки)
$$E_C=\frac{e^2}{2C}$$ заметна при малых $C$.
Подходы для контроля туннелирования
1. Материалы и диэлектрики
- Высокопрозрачные диэлектрики (high‑k) + металл‑затвор: увеличивают физическую толщину при той же электрической ёмкости (EOT), уменьшают туннельный ток. Эффективная толщина:
$$\mathrm{EOT}=t_{\text{ox}}\frac{{\kappa }_{{\text{SiO}}_2}}{{\kappa }_{\text{high-k}}}.$$ - Материалы с большим $m^{\ast }$ и/или большим запрещённым разрывом $E_g$ для снижения BTBT (например SiGe/Si, широкозонные подложки).
2. Геометрия и архитектура транзистора
- Многократные затворы (FinFET, GAA/nanowire): лучше электростатическое управление каналом → уменьшение прямого туннеля сток‑исток и улучшение субпороговой ткани.
- Ультратонкие тела (UTB‑SOI) и контроль профилей легирования для более резкого барьера.
3. Профили легирования и инженерия контактов
- Градиенты допинга, «halo» и пространственные импланты уменьшают локальные поля и BTBT.
- Эпитаксиальные вставки/спейсер‑технологии уменьшают перекрытие S‑D и тем самым прямой туннель.
4. Диэлектрические стэки и интерфейсная инженерия
- Стэки high‑k/интерфейсный SiO2, оптимизация дефектной плотности (интерфейсные состояния) — уменьшение локальных каналов туннелирования.
5. Специальные устройства, использующие туннелирование
- TFET (tunnel FET): управляемое банд‑ту‑банд туннелирование даёт крутой субпорог (<$60$ mV/dec) — требует гетероструктур/материалов с подходящими зонами.
- RTD, SET: используются в высокоспецифичных приложениях (микроволновые генераторы, квантовые логические схемы).
6. Системные и схемные методы
- Динамическое управление напряжением, body‑biasing, power‑gating для снижения полей в режиме OFF.
- Ошибкоустойчивые схемы и коррекция ошибок против увеличившейся вариабельности.
7. Моделирование и контроль на этапе проектирования
- Квант‑транспартные методы (NEGF, Schrödinger–Poisson), WKB для оценки туннельных токов и оптимизации топологии/материалов.
Технические ограничения и тенденции
- Снижение EOT и агрессивное масштабирование ограничены ростом туннелирования через диэлектрик и прямого S‑D туннеля; поэтому индустрия перешла к FinFET/GAA, high‑k/metal‑gate и рассмотрению новых материалов.
- Для дальнейшего уменьшения энергопотребления исследуют TFET и 2D‑гетероструктуры, но практическая реализация требует преодоления проблем малой ON‑токовой проводимости и интеграции.
Краткое резюме: туннелирование на наноуровне — источник как проблем (утечки, шум, вариабельность), так и возможностей (новые устройства). Управляют им сочетанием материаловой инженерии (high‑k, широкий $E_g$, высокий $m^{\ast }$), архитектурных решений (FinFET/GAA, UTB), профилей легирования и схемных приёмов; для проектирования применяют квантовые транспартные модели (NEGF, WKB).