概述现代CMOS晶体管的技术发展，提出使用一个深入可访问的的设计方法，以改善晶体管性能存在的局限性，如隧道场效应晶体管（TFETs），替代基于电荷的器件、自旋为基础的设备，以解决这些根本性的挑战，对设备、电路，并使用新的设计技术和超越CMOS技术系统水平最后阐述如何克服现有的设计挑战，使用新的万亿级集成电路逻辑开关设计工作原理
无
过去四十年以来，作为数字芯片中电子开关的主要类型，CMOS（互补金属氧化物半导体）晶体管持续小型化使电子器件的性价比不断提高。器件的微型化已经造就了信息技术的无所不在，并且对于现代社会生活的方方面面产生了巨大的影响。
CMOS技术已经趋于成熟，所以持续的晶体管尺寸等比例缩小在未来将不会像过去那样简单可行。这一点从某些方面发展速度的放慢（比如，芯片电源电压等比例减小，晶体管开态漏电流的等比例减小等）就可以看出。很明显，开关设计需要改进，以此来维持下一个十年之后电子行业的发展。很多种类的替代开关设计正在被研究人员讨论，其中许多开关设计用到了与传统CMOS晶体管完全不同的工作原理。但是，在这飞速发展的领域中研究人员发表的文章很少具有指导性。因此，很多重要的新信息不能被主流电子领域研究人员所理解。
为了解决以上问题，我们与该研究领域一些公认的专家共同创作了本书，包括：与性能与功耗的折中（激励陡峭的亚阈值摆幅器件）相关的背景信息、隧道效应器件、替代性场效应器件，以及电子自旋（磁性）器件。本书结尾部分论述了这些新型开关设计之间互连存在的挑战。
第一部分回顾了芯片设计的注意事项，并且基准化了许多替代性的开关器件，重点论述了具有更陡峭亚阈值摆幅的器件。第1章介绍了过去晶体管尺寸等比例缩小中的基本概念，并且分析了密度、功耗和性能这些推动现代CMOS设计要素之间的关键折中。在持续的晶体管尺寸等比例缩放限制的背景下，本书也回顾了诸如电源门控和并行设计等电路设计技术。同时结合具有更陡峭亚阈值摆幅的新型CMOS器件的潜在优势，论述了由60mV/10倍频程亚阈值摆幅限制造成的CMOS技术中的能量效率限制。第2章和第3章介绍并基准化了相关研究领域中很多正在探索的替代性器件。这些章节主要关注电子器件（相对于磁性器件），它们包含了可以提高开关性能的新原理和新材料。第2章介绍了这些器件的历史和工作原理。第3章主要从驱动电流、能量效率、制造成本、复杂程度和存储单元面积等方面来评价这些器件。第4章探讨了在CMOS晶体管栅叠层中引入铁电层来克服60mV/10倍频程亚阈值摆幅限制的方法。其中展示了理论和近期的实验，用于支持通过小信号负电容来实现CMOS晶体管的可能性。
第二部分涵盖了利用量子力学隧道效应作为开关原理来实现更陡峭亚阈值摆幅的各种器件设计。根据同时实现陡峭亚阈值摆幅、大开关电流比和高开态电导的要求，第5章评估了隧道场效应晶体管（TFET）的前景。其中研究了pn结维度的影响，论述了各种设计的折中，以及侧面、垂直及双层实现的优点。根据各种设计要求，对近期的实验数据进行了评价。第6章继续对TFET进行论述，重点关注了Ⅲ~Ⅳ族半导体材料。该章论述了设计同质结相对异质结Ⅲ-Ⅴ族半导体材料的折中，如何通过p沟道TEFT来实现高性能，以及与Ⅲ～Ⅴ族半导体材料特别相关的非理想性（比如陷阱、表面粗糙度和混合无序）。第7章通过评估用石墨烯和二维半导体材料制作的TEFT前景进一步探讨了TEFT。该章介绍了面内隧道效应器件和层间隧道效应器件，并结合理论上的理解对近期的实验结果进行论述。第8章介绍了一种新型隧道效应器件，即双层伪自旋场效应晶体管（BiSFET）。BiSFET依赖于实现室温下两个电介质分离的石墨烯层中激子（电子空穴）超流体凝结的可能性。室温下凝结的形成是BiSFET工作原理的关键所在。该章论述了创造这样一个凝结现象的关键物理条件和挑战。BiSFET的精简模型和电路设计也将论述，同时体现其相对于CMOS的性能优势。
第三部分涵盖了利用替代方法实现更高效开关性能的器件。第9章讨论了使用相关电子材料制作器件的可能性，这种器件可以在绝缘体相和金属相之间转换。其中论述了这种金属绝缘体转换的物理机制，并着重论述了二氧化钒（VO2）系统。该章同时论述了Mott FET器件、固态VO2 FET器件和液态栅极VO2 FET器件，以及使用这些器件的电路结构。第10章介绍了压电晶体管（PET）器件。PET实质上是一个固态继电器，其中压电单元提供了机械力，压阻元件将机械力转化为电子开关。该章同时论述了压电和压阻材料的基本物理原理，以及工艺集成的挑战，也探讨了PET动力学、精简模型和电路设计，以及它们相对于CMOS的性能优势。第11章论述了作为逻辑开关的纳米级机电继电器。继电器用机械运动从物理上缩短或断开两个接触物之间的联系，它有零开态漏电流的理想特征、极大的亚阈值摆幅和低的栅漏。该章还介绍了纳米级继电器特殊的材料要求和工艺集成的挑战，描述了一系列用于更精简的复杂逻辑电路实现的继电器，并且论述了尺寸等比例缩小的方法。
第四部分涵盖了利用磁效应或电子自旋携带信息的器件。这些器件能用于实现纳米磁逻辑（其中小磁体用于构建电路）、电子自旋转矩逻辑和电子自旋波逻辑（其中电子自旋用于表征信息）。第12章论述了利用微小单域磁体制造电路的可能性。该章同时介绍了单域纳米磁体的开关特性和多种同步方案。该章提出了一个与CMOS不同的全加器结构，并回顾了纳米磁逻辑设计中的问题。第13章介绍了利用电子自旋转矩效应来制造大多数逻辑门电路的可能性。这些器件中，结合多种输入的自旋转矩作用将传输充足的转矩用于转换输出的磁化。该章同时回顾了面内和垂直自旋转矩转换的详细仿真。讨论了一全加器电路，并给出了相对于CMOS技术的基准测试结果。第14章分析了用电子自旋波实现逻辑功能的可能性。自旋波是在磁化方向的自旋点阵中自旋振动的集合。该章同时介绍了自旋波器件的物理机制，并讨论了相关实验结果。也回顾了各种与CMOS不同的自旋波电路和体系结构，并给出了相对于CMOS技术的基准测试结果。
在讲述CMOS其他先导器件的时候，关键却又常常被忽略的问题是互连结构。如果不能与其他有源器件和无源器件互连起来，仅仅构建一个极好的新型开关就没有什么价值。这对于磁性和基于自旋的器件尤其重要，因为它们通常都不能与传统的电子器件直接相连。因此在全书的末尾，第15章深入讨论更高级逻辑器件互连的注意事项。其中包括新兴的电荷器件技术互连和自旋技术互连。
相比于主流半导体器件，我们希望这些章节有助于缩小特大规模（万亿级晶体管规模）集成电路中新兴器件研究与实际主流半导体领域研究之间的差距。
集成电路设计
本书借鉴工业界和学术界的主要研究人员的专业知识，包括许多替代逻辑器件的开发者有见地的贡献，从一系列不同的观点引入和探讨新的概念，涵盖所有必要的理论背景和发展脉络。本书分为四个部分：第一部分回顾了芯片设计的注意事项以及具有更大亚阈值摆幅的器件；第二部分涵盖了利用量子力学隧道效应作为开关原理来实现更陡峭亚阈值摆幅的各种器件设计；第三部分涵盖了利用替代方法实现更高效开关性能的器件；第四部分涵盖了利用磁效应或电子自旋携带信息的器件。在全书的末尾对于包括新兴的电荷器件技术互连和自旋技术互连在内的更高级的逻辑器件互连给出了全面评价。本书是集成电路研究人员、专业工程师以及半导体器件和工艺专业研究生的必备读物。
[美]刘金（Tsu-Jae King Liu） 科林·库恩（Kelin Kuhn） 等著
加州大学伯克利分校 Intel 公司：刘金（Tsu-Jae King Liu）：IEEE 会士，加州大学伯克利分校电气工程与计算机科学系微电子专业TSMC杰出教授。FinFET的联合发明者，获得了IEEE Kiyo Tomiyasu奖（2010）、电化学学会Thomas D. Callinan奖（2011）和半导体行业协会（SIA）大学研究员奖（2014）。
科林·库恩（Kelin Kuhn）： IEEE会士，康奈尔大学Mary Upson 客座教授。2014年从Intel退休，曾经担任Intel 研究员以及Intel工艺与制造小组先进器件技术的主管。在Intel，她负责新器件结构的研究，并获得两项Intel成就奖，一项是高k金属栅（2006），另一项是三栅该（2008），同时获得IEEE Paul Rappaport奖（2013）。
近半个世纪以来，作为数字集成电路中电子开关的主要器件，CMOS（互补金属氧化物半导体）晶体管持续小型化使电子器件的性价比不断提高。“超越摩尔定律”时代将继续推动集成电路行业的创新和发展。因利用光刻技术缩小半导体尺寸的成本日益高昂且难以实施，业界将目光转向于CMOS及其他先导技术。本书针对应用于特大规模集成电路的逻辑开关，重点关注替代CMOS器件的新材料、新器件、新工艺等。为了推动其他先导技术及其新材料、新器件、新工艺、新电路等的研究与发展，以及促使国内更多的研究开发人员与高等院校学生了解超越CMOS的先导技术，受机械工业出版社华章分社的委托，由华中科技大学在微电子集成电路领域长期从事一线科研及教学研究的教师组织并完成了本书翻译工作，将一本关于CMOS和其他先导技术的参考书奉献给读者。
本书采用系统的方法来讲解如何运用新型器件概念，以及用已有深入的、可使用的方法，来克服存在的设计挑战。本书借鉴了工业界和学术界中主要研究人员的专业知识，包括许多开发者的贡献，从一系列不同的观点引入和探讨新的概念，是一本极具前沿性且自成体系的、理论性及实践性较强的著作。本书涵盖了克服晶体管性能已有的局限性且有潜力的前沿技术，如隧道场效应晶体管（TFET）、替代性电荷电子器件、自旋电子器件以及更多先导技术与独特方法，适合微电子科学与工程、集成电路设计与集成系统、电子科学与技术及光电信息科学与工程等领域的学术研究人员和专业工程技术人员阅读，也可作为高等院校相关专业的教师、研究生及高年级本科生的教材和专业参考书。
本书由华中科技大学光学与电子信息学院及武汉国际微电子学院副院长雷鑑铭博士负责组织并完成全书翻译工作，参与本书翻译工作的还有赵于汐及高煜程等。本书在翻译过程中得到了华中科技大学光学与电子信息学院及武汉国际微电子学院邹雪城教授、邹志革副教授和余国义高级工程师的帮助及支持，在此表示感谢。特别感谢文华学院外国语学院英语系肖艳梅老师的审校。
CMOS及其他先导技术涉及的专业面广，鉴于译者水平有限，书中难免有不足及疏漏之处，敬请广大读者批评指正和谅解，在此表示衷心的感谢。
雷鑑铭
译者序
前言
第一部分 CMOS电路和工艺限制
第1章 CMOS数字电路的能效限制2
1.1 概述2
1.2 数字电路中的能量性能折中3
1.3 能效设计技术6
1.4 能量限制和总结8
参考文献9
第2章 先导工艺晶体管等比例缩放：特大规模领域可替代器件结构10
2.1 引言10
2.2 可替代器件结构10
2.3 总结22
参考文献23
第3章 基准化特大规模领域可替代器件结构30
3.1 引言30
3.2 可替代器件等比例缩放潜力30
3.3 可比器件的缩放潜力33
3.4 评价指标35
3.5 基准测试结果37
3.6 总结38
参考文献39
第4章 带负电容的扩展CMOS44
4.1 引言44
4.2 直观展示45
4.3 理论体系47
4.4 实验工作51
4.5 负电容晶体管54
4.6 总结56
致谢57
参考文献57
第二部分 隧道器件
第5章 设计低压高电流隧穿晶体管62
5.1 引言62
5.2 隧穿势垒厚度调制陡峭度63
5.3 能量滤波切换机制65
5.4 测量电子输运带边陡度66
5.5 空间非均匀性校正68
5.6 pn结维度68
5.7 建立一个完整的隧穿场效应晶体管80
5.8 栅极效率最大化84
5.9 避免其他的设计问题88
5.10 总结88
致谢89
参考文献89
第6章 隧道晶体管92
6.1 引言92
6.2 隧道晶体管概述93
6.3 材料与掺杂的折中95
6.4 几何尺寸因素和栅极静电99
6.5 非理想性103
6.6 实验结果106
6.7 总结108
致谢108
参考文献108
第7章 石墨烯和二维晶体隧道晶体管115
7.1 什么是低功耗开关115
7.2 二维晶体材料和器件的概述116
7.3 碳纳米管和石墨烯纳米带116
7.4 原子级薄体晶体管124
7.5 层间隧穿晶体管130
7.6 内部电荷与电压增益陡峭器件137
7.7 总结137
参考文献137
第8章 双层伪自旋场效应晶体管…140
8.1 引言140
8.2 概述141
8.3 基础物理145
8.4 BiSFET设计和集约模型152
8.5 BiSFET逻辑电路和仿真结果157
8.6 工艺161
8.7 总结162
致谢163
参考文献163
第三部分 可替代场效应器件
第9章 关于相关氧化物中金属绝缘体转变与相位突变的计算与学习166
9.1 引言166
9.2 二氧化钒中的金属绝缘体转变168
9.3 相变场效应器件172
9.4 相变两端器件178
9.5 神经电路181
9.6 总结182
参考文献182
第10章 压电晶体管187
10.1 概述187
10.2 工作方式188
10.3 PET材料的物理特性190
10.4 PET动力学193
10.5 材料与器件制造200
10.6 性能评价203
10.7 讨论205
致谢206
参考文献206
第11章 机械开关209
11.1 引言209
11.2 继电器结构和操作210
11.3 继电器工艺技术214
11.4 数字逻辑用继电器设计优化220
11.5 继电器组合逻辑电路227
11.6 继电器等比例缩放展望232
参考文献234
第四部分 自旋器件
第12章 纳米磁逻辑：从磁有序到磁计算240
12.1 引言与动机240
12.2 作为二进制开关单元的单域纳米磁体242
12.3 耦合纳米磁体特性244
12.4 工程耦合：逻辑门与级联门246
12.5 磁有序中的错误248
12.6 控制磁有序：同步纳米磁体250
12.7 NML计算系统252
12.8 垂直磁介质中的纳米磁体逻辑255
12.9 两个关于电路的案例研究259
12.10 NML电路建模260
12.11 展望：NML电路的未来261
致谢261
参考文献262
第13章 自旋转矩多数逻辑门逻辑267
13.1 引言267
13.2 面内磁化的SMG268
13.3 仿真模型270
13.4 面内磁化开关的模式272
13.5 垂直磁化SMG276
13.6 垂直磁化开关模式278
13.7 总结283
参考文献284
第14章 自旋波相位逻辑286
14.1 引言286
14.2 自旋波的计算287
14.3 实验验证的自旋波元件及器件287
14.4 相位逻辑器件290
14.5 自旋波逻辑电路与结构292
14.6 与CMOS的比较297
14.7 总结299
参考文献300
第五部分 关于互连的思考
第15章 互连304
15.1 引言304
15.2 互连问题305
15.3 新兴的电荷器件技术的互连选项307
15.4 自旋电路中的互连思考312
15.5 自旋弛豫机制315
15.6 自旋注入与输运效率318
15.7 电气互连与半导体自旋电子互连的比较320
15.8 总结与展望324
参考文献324
