用于三维集成和量子计算机的半导体器件开发

Published 31 Jan.2023 12:00(KST)

KAIST Kim Sanghyun 教授团队

[亚洲经济金奉洙记者] 国内研究团队打破既有半导体技术的局限，开发出了可应用于下一代高集成度、超低功耗半导体乃至量子计算机的逻辑电路及核心器件技术。

韩国研究财团（NRF）31日表示，Kim Sanghyeon 韩国科学技术院（KAIST）教授研究团队开发出了能够克服现有互补金属氧化物半导体（CMOS）基础逻辑器件局限的三维逻辑器件，以及可在极低温下运行的超低功耗半导体器件与电路技术。预计可作为下一代半导体——低功耗 CMOS 逻辑电路以及在极低温下运行的大型量子计算机的核心器件加以应用。

逻辑半导体器件迄今通过器件小型化工艺技术的开发来提升集成度和性能，但由于物理极限，进一步实现小型化已变得困难。此外，伴随器件小型化而来的布线线宽缩减，以及由此导致的布线电阻和功耗增加，使性能提升面临双重困难。

利用InGaAs的超低电阻布线电路示意图。图片由KAIST提供

作为克服上述局限的下一代半导体技术，单片三维集成技术（Monolithic 3D Integration，M3D）正备受关注。与传统堆叠技术不同，该技术将单一电路以三维方式堆叠，在提高集成度的同时，可革命性地降低连接器件的布线电阻，并可在上部沟道引入高性能新材料。但在堆叠及上部器件工艺过程中需要持续加热，容易对下层器件造成损伤，导致工艺极为苛刻，这是其一大限制。

另一方面，采用超导体或硅（Si）量子点的量子计算机，与传统计算机不同，需要在极低温下运行，并通过数万条电路相互连接。因此，应用于量子计算机的低噪声放大器件必须在极低温下工作，同时尽可能减少热量产生，需实现为超低功耗器件。

研究团队通过单片三维集成技术，开发出了高性能锗/硅（Ge/Si）混合型 CFET（互补场效应晶体管），以及可在极低温下运行、具有高集成度并实现超低功耗工作的半导体器件与电路。团队开发出独有的低温工艺，用以抑制堆叠工艺及器件制造过程中所需的高工艺温度，从而克服了既有单片三维集成技术的局限。通过工艺优化和利用锗材料特有的能带结构工程，团队还成功将体现半导体器件性能的空穴迁移率提升至世界最高水平。为使大型量子计算机所需的数万个量子比特能通过较少数量的器件与布线实现控制和读出，研究团队在极低温环境下实现了低电阻、超低功耗、低噪声放大器件及信号路由器件。

Kim 教授表示：“相关成果今后有望广泛应用于量子计算机用器件开发，并大幅提升既有逻辑器件等的技术性能。本研究的意义在于克服了既有半导体的技术极限，开发出了将性能最大化的下一代半导体技术。今后将继续推进后续研究，使其能够作为下一代逻辑及量子计算机的核心器件得到广泛应用。”