在纯净的硅所有价格电子都参与了成键(下图(a)），里面没有自由电子，或者很少有自由电子，所以是电的不良导体。但它可以在硅晶格中引入称为掺杂剂(dopant)少量杂质提高其导电性。与V族元素混合的杂质(如As），它将在晶格中取代硅原子，因此它仍然与周围的四个硅原子形成共价键，但第五个价格电子与As原子之间的束缚很弱，如下图所示(b)所示。晶格热振动足以使电子在室温下自由移动，由此形成带正电的正电As离子和自由电子。这种自由电子可以携带电流，从而提高材料的导电性。我们称这种半导体为n型半导体，因为它的自由载流子是带负电荷的电子。
与此类似III掺杂族元素(如B）含三价电子，如下图所示所示。这种掺杂剂原子可以从相邻的硅原子中借用电子，使硅原子缺少电子。这个硅原子接着又从它相邻的硅原子中借一个电子，以此类推，就能使这个缺失的电子即“空穴"(hole)在晶格中传播。空穴的作用就像带正电荷的载流子，这种半导体是p型半导体。
了解了n，p很容易理解型半导体的起源pn结二极管。顾名思义，pn结是由p型半导体和n型半导体形成的结，如下图所示。pn结二极管的一大特点是单向导电性，当阳极（Anode）P型半导体的电压高于阴极（Cathode）n型半导体，二极管正偏(forwardbiased),当阳极电压低于或等于阴极电压时，二极管处于反向偏置(reversebiased),这时几乎没有电流。记住这一特性是半导体非常基本和重要的特性。
只是上面说的MOS管道是什么样的结构，但没有提到MOS不管为什么是这个结构，仔细说会更复杂，我们只需要知道粗略的原则。可想而知，这是一个三端器件，其中source和drain主要导通的两端，gate根据控制端pn结的单向导电性，S端与D端之间隔开，或者是npn，要么是pnp，不能直接导通，但此时加入控制端G，通过添加适当的电势，可以使衬底（bulkSi）在靠近Gate层的地方发生反型。什么是反型，就是p型变n型，或者n型变p型。这使得原本无法导通的原本无法导通S，D端可以导通。事实上，这种反型发生在bulkSi与Gate端部靠近上表面的薄层会随着两端的电势分布。这种结构有点类似于一把S，D两端相连，所以这个结构叫沟道（channel）。下图显示了一个MOS管随着Gate端电压变化的不同工作状态，当Vgs>Vt只有这样，沟道才能形成。
其相应的MOS管结构为：
这是典型的反相器截面图，左右各为一个截面图nMOS和pMOS管，而SubstrateTap和WellTap是分别给衬底和相应的陷阱电位的电极。当然，这只是一个简单的结构。当实施真实工艺时，晶体管的结构不一定严格按照上图所示，但还会有一些其他考虑因素，如兼容数字模拟信号开发的三个陷阱工艺、电极接触的金属化、浅槽隔离的引入等（STI）提高集成度。总之，实际过程中会有各种细节的调整，但基本原理与上述相一致。
传统MOS工艺的缺陷
对于长沟设备，沟四面的边缘效应几乎可以忽略不计。对于长沟设备，电场线垂直于沟表面。这些电场由栅极电压和背栅极电压控制。但是，对于短沟道器件，漏极和源极结构更靠近沟道，特别是当沟道中的纵向电场进入时。由漏源电压控制的纵向电场。纵向电场与电流流动方向平行。若沟长不大于源极和漏极耗尽宽度的总和，则该装置称为短沟装置。由于短沟中二维电势分布和高电场，会产生各种不良影响。这里列出了两种典型的短沟效应（SCE）：
降低载流速度和迁移率
沟道中的电子漂移速度与较低电场值的电场成比例。在高电场中，这些漂移速度往往会饱和。这叫速度饱和度。纵向电场通常会增加短沟设备。影响这样的高电场MOSFET的I-V特征饱和。对于相同的栅极电压，MOSFET饱和模式较低-在降低源电压值和饱和电流的情况下实现。由于垂直电场较高，通道的载流子离开氧化物界面。这导致载流子迁移率的降低和漏极电流的降低。
热载流子效应
对于较小的几何设备，电场会在漏极附近增加。因此，电子获得了大量被称为热载体的能量。其中一些获得了足够的能量，导致漏极附近的碰撞电离，产生新的电子-空穴对，会产生漏洞-体电流（Idb）。少量的热电子可以通过氧化物通过门收集。尽管一些热载体甚至可能损坏氧化物，导致设备变质。
如何应对短沟效应？
如果通道长度小于耗尽区，短通道效应将变得难以忍受。这限制了网格长度的进一步降低。为了限制这些效应，耗尽区域的宽度应随着通道长度的降低而降低。这可以通过增加通道的混合浓度或网格电容来实现。
格栅极电容决定了格栅极对通道的控制。以下等式表示，格栅极电容可以通过缩小格栅极氧化物的厚度来增加。具有较薄格栅极氧化物的设备具有较小的耗尽宽度，因此得到了改善SCE特性。
COX=EOX/TOXC_{OX}=E_{OX}/T_{OX}COX=EOX/TOX这里：COX为栅极氧化物电容，EOX氧化物电场，TOX是氧化层厚度。
为了限制英特尔过去25年的工艺节点SCE，氧化物已经按比例大致与沟道长度成比例。英特尔技术节点的沟道长度和氧化物厚度之间的关系:
L=45×TOXL=45×T_{OX}L=45×TOX这里：L为沟通长度，TOX氧化层厚度。
改进传统架构
应变硅技术
纳米尺度晶体管的关键缩放问题之一是度晶体管的关键缩放问题之一。提高晶体管性能和移动性的方法有很多。一种方法是在通道中使用锗膜，因为锗具有较高的载流子迁移率。另一种方法是将机械应变引入通道使用应变硅。应变硅技术涉及物理拉伸或压缩硅晶体，从而提高载流子(电子/空穴)的迁移率，提高晶体管的性能。例如，当通道压缩应力时，可以增加PMOS穴位迁移率。为了在硅沟中产生压缩应变，源极和漏极区域通过外延生长填充Si-Ge膜。Si-Ge通常含有20%锗和80%硅混合物。
Si和Ge原子的数量等于原子Si原子。锗原子大于硅原子。因此，当创建力量时，它会促进通道，提高孔的流动性。提高半导体的迁移率，提高驱动电流和晶体管的速度。
MOS2003年首次使用晶体管应变硅技术nm工艺技术。用于技术节点PMOS晶体管的Si-Ge源极漏极结构在通道中引起压缩应变，增加电流25%。虽然在晶体管周围增加高应力Si3N引入4覆盖层NMOS但电流增加了10%。
下图为Intel65nm工艺应变硅nMOS和pMOS晶体管，它们的迁移率分别比非应变硅晶体管大40%和100%。1-3nMOS沟道处于张应力下，这种应力由覆盖在栅格上方的氮化硅覆盖(SiN)产生绝缘膜。pMOS压应力下的沟道，这一压应力通过刻蚀通向源和泄漏的切口，然后用一层锗硅(SiGe)用这些切口填充外延层。锗是另一个IV半导体的族元素，其原子半径大于硅。当少量硅原子被锗取代时，虽然晶格仍然保持其原始形状，但由于原子较大，它受到机械应力的影响。对nMOS管和pMOS采用各自不同的应力生成机制，可同时提高电子和空穴的迁移率。另一种方法是在沟通中注入锗原子，但由张应力只会提高电子迁移率。注意，STI也会引起力影响迁移率，所以扩散区的版图布置有可能影响性能的栅电容以把电荷吸引至沟道中。这使SiO2栅介质必须非常薄（例如在65nm工艺中为10.5-12A,只有4个原子层厚）。当小于这样的厚度时，栅泄漏将增加到不可接受的程度，使传统的按比例尺寸缩小不再能继续下去5。我们知道简单的SiO2的介电常数k=3.9。根据等式COX=EOX/TOX，，如果能找到具有较大介电常数的材料，那么栅就可以采用较厚的介质，得到高的栅氧化物电容，因而泄漏较小。
HKMG(High-K栅氧化物层+MetalGate)技术
MOS晶体管需要有较高的栅电容以把电荷吸引至沟道中。这使SiO2栅介质必须非常薄（例如在65nm工艺中为10.5-12A,只有4个原子层厚）。当小于这样的厚度时，栅泄漏将增加到不可接受的程度，使传统的按比例尺寸缩小不再能继续下去5。我们知道简单的SiO2的介电常数k=3.9。根据等式COX=EOX/TOX，，如果能找到具有较大介电常数的材料，那么栅就可以采用较厚的介质，得到高的栅氧化物电容，因而泄漏较小。
按照这一想法采取的第一个步骤是大约在130nm工艺节点前后，人们引人了氮来形成氮氧化物(oxynitride)栅介质，称为氮氧化硅(SiON),它能提供的K值为4.1-4.2。高K介质于2007年开始进入商品制造，首先就是Intel45nm工艺采用的基于铪(hafnium)的材料6。氧化铪(Hafiliumoxide,即HfO2)的k=20。
有效氧化物厚度（EOT）由下式给出：EOT=3.9×TOXEOT=3.9×T_{OX}EOT=3.9×TOX这里：EOT为有效氧化物厚度，Tox为氧化层厚度，K为材料的介电常数。氧化铪的k=20，比SiO2高6倍，这意味着6nm厚的HfO2提供相当于1nmSiO2的EOT。
在多晶硅和栅介质的界面上会形成一层耗尽层。这相当于加大了TOX,因而对性能而言是不希望有的。而且，由于存在像阈值电压钉扎(thresholdvoltagepinning)和声子散射(pho-nonscattering)这样的效应，多晶硅栅有可能与高K介质不兼容，从而很难得到低阔值并会降低迁移率。Intel的45nm工艺又回到采用金属栅以解决这些问题，同时也是为了减少栅电阻，如下图所示7。因此，MOS这个术语再次成为技术上的精确描述!nMOS和pMOS晶体管采用具有不同功函数（使一个电子脱离固体所需要的能撮）的不同类型金属来设置阈值电压，而具有较低电阻的第二层金属层则起到了类似于硅化物的作用。
采用金属栅的难点之一是当它们暴露在源/漏形成阶段的高温下时会熔化。但若使栅在源和漏之后形成，就会失去自对准的优点。为了避免这一难题，Intel首先形成具有高k介质和标准多晶硅栅的晶体管。在完成晶体管和形成层间介质后，将圆片抛光使多晶硅栅外露并通过刻蚀将不希望有的多晶除去。然后在这一沟槽上淀积一层薄的金属栅。注意，nMOS和pMOS管要求具有不同功函数的不同金属。最后，这一沟槽用一层较厚的铝层填充以得到较低的栅电阻，并对圆片再次进行平坦化。
新技术介绍
虽然可以在原有工艺基础上进行不断改良来获得进步，无奈摩尔定律太顶。原先的结构开始变得不适用，对现有的工艺进行优化也无法得到满意的效果，于是各个专家大佬不断的从材料、结构、工艺这三个方面找花样，解决问题，为下一代的工艺制程提供方案。
传统的CMOS器件随着特征尺寸逐步缩小，越来越显现出局限性。研究人员正在积极寻找新的替代器件产品，以便在更小的技术节点中超越体硅CMOS技术。ITRS中提出的非传统CMOS器件，有超薄体SOI、能带工程晶体管、垂直晶体管、双栅晶体管、FinFET等。而未来有望被广泛应用的新兴存储器器件，主要有磁性存储器(MRAM)、相变存储器(PRAM)、纳米存储器(NRAM)、分子存储器(molecularmemory)等。新兴的逻辑器件则主要包括了谐振隧道二极管、单电子晶体管器件、快速单通量量子逻辑器件、量子单元自动控制器件、纳米管器件、分子器件等。
在未来各种集成电路新器件中，大量纳米技术将得到应用，除了在存储器和逻辑器件中作为晶体管的主要材料，某些形态的碳纳米管可在晶体管中取代硅来控制电子流，并且碳纳米管也可取代铜作为互连材料。因此，集成电路制造工艺技术也将迎来新的变革。
SOI
亚阈值电流在半对数坐标平面上能和一条直线符合得很好。这条直线斜率的倒数称为亚阈值斜率(subthresholdslope)S:
S=[d(log10Ids)dVgs]1=nvTln10S=[\frac{d(log_{10}I_{ds})}{dV_{gs}}]^{-1}=nv_{T}ln10S=[dVgsd(log10Ids)]1=nvTln10
通常，SOI器件被分类为部分耗尽（PD）SOI和全耗尽（FD）SOI。与PD-SOI相比，FD-SOI具有非常薄的体结构，因此在工作时完全耗尽。FD-SOI也称为超薄体SOI。对于PD-SOI，本体为50nm90nm厚，而对于FD-SOI来说，本体厚约5nm20nm。消除沟道中耗尽层底部的中性层，让沟道中的耗尽层能够填满整个沟道区，这便是所谓的全耗尽型(FullyDepleted，FD)晶体管，而传统的平面型晶体管则属于部分耗尽型(PartialiyDepleted，PD)晶体管。
SOI器件的优点：
SOI器件的缺点：
FinFET
随着设备尺寸的缩小，在较低的技术节点，例如22nm的，具有在沟道长度，面积，功率和工作电压的缩放比例，短沟道效应开始变得更明显，降低了器件的性能。为了克服这个问题，FinFET就此横空出世。前台积电首席技术官和伯克利公司的前任教授胡正明及其团队于1999年提出了FinFET的概念，并在2000年提出了UTB-SOI（FDSOI）。这两种结构的主要结构都是薄体，因此栅极电容更接近整个通道，本体很薄，大约在10nm以下。所以没有离栅极很远的泄漏路径。栅极可有效控制泄漏。现代FinFET是三维结构，如下图所示，也称为三栅晶体管。FinFET可以在体硅或SOI晶片上实现。该FinFET结构由衬底上的硅体薄（垂直）翅片组成。该通道围绕通道提供了良好的通道三面控制。这种结构称为FinFET，因为它的Si体类似于鱼的后鳍。
在bulk-MOS（平面结构MOS）中，通道是水平的。在FinFET通道中，它是垂直的。所以对于FinFET，通道的高度（Fin）决定了器件的宽度。通道的完美宽度由下式给出8。
WidthofChannel=2×FinHeight+FinWidthWidth\of\Channel=2×Fin\Height+Fin\WidthWidthofChannel=2×FinHeight+FinWidth在常规MOS中，掺杂被插入通道中，减少各种SCE并确保高Vth。在FinFET中，栅极结构被缠绕在通道周围并且主体是薄的，从而提供更好的SCE，因此通道掺杂是可选的。这意味着FinFET受掺杂剂诱导的变化的影响较小。低通道掺杂还确保通道内载体的更好的移动性。因此，性能更高。在这里注意到的一点是，FinFET和SOI技术都将BodyThickness作为新的缩放参数。
FinFET技术提供了超过体CMOS的许多优点，例如给定晶体管占空比的更高的驱动电流，更高的速度，更低的泄漏，更低的功耗，无随机的掺杂剂波动，因此晶体管的移动性和尺寸更好，可以低于28nm。
GAA
GAA（Gate-All-Around）纳米技术，Gate-All-Around就是环绕栅极，相比于现在的FinFETTri-Gate三栅极设计，将重新设计晶体管底层结构，克服当前技术的物理、性能极限，增强栅极控制，性能大大提升。三星的GAA技术叫做MBCFET(多桥通道场效应管)，这项技术的特点是实现了栅极对沟道的四面包裹，源极和漏极不再和基底接触，而是利用线状（可以理解为棍状）或者平板状、片状等多个源极和漏极横向垂直于栅极分布后，实现MOSFET的基本结构和功能。这样设计在很大程度上解决了栅极间距尺寸减小后带来的各种问题，包括电容效应等，再加上沟道被栅极四面包裹，因此沟道电流也比FinFET的三面包裹更为顺畅。在应用了GAA技术后，业内估计基本上可以解决3nm乃至以下尺寸的半导体制造问题。
如下为实际的GAA结构FET截面图：
这里推荐大家观看一个三星官方的介绍视频，里面简要的介绍的三星Foundry体硅、FIN-FET、GAA三种技术演进。
【视频】
2011年初，Intel公司在其22nm工艺技术节点上首次推出了商品化的FinFET产品Ivy-Bridger10。其器件结构与早期Hisamoto的DeltaFET及其相似，如图16所示，只是省略了局域化衬底绝缘隔离工艺，依旧采用阱隔离技术将沟道与体硅衬底隔离开来。环栅纳米线器件因其更优异的静电完整性和弹道输运特性，有望取代FinFET并应用在10nm以下节点。但由于PN结漏电问题，也将面临一些挑战。
第三代半导体
第三代半导体材料则是以GaN和SiC为代表的宽禁带半导体材料，多用于短波长光电子器件，高温电子器件和电力电子器件等。宽禁带半导体材料发展至今已有许多种类，他们有着不同的特殊性质，从而应用在不同的领域。当前主要的宽带隙半导体主要分为三大类：Ⅲ族氮化物、Ⅱ-Ⅵ族半导体和Ⅳ族单质或化合物半导体。
Ⅲ族氮化物主要包含GaN、InN、AlN及以它们为基础的三元化合物AlxGa1-xN，InxGa1-xN。，是一种具有宽光学窗口、耐高温、性能优越的半导体光电子材料，可用于研制发光器件、激光器件、电力电子器件，特别是短波紫外发光器件。Ⅲ族氮化物有着诸多特点，决定了他们在光电子器件的应用十分广泛。首先，它们均为直接带隙化合物，辐射复合效率高，适用于发光材料及发光器件，其中二元/三元/四元化合物之间形成多层异质结构，如量子阱和二维电子气等，可以进一步提高辐射复合效率，以及提高电子迁移率。其次，其带隙范围覆盖整个可见光到深紫外波段，特别是在短波长方面，目前是仍是最佳选择。此外，相较于ZnO，ZnSe，SiC等材料，Ⅲ族氮化物有着结构稳定，耐腐蚀，长寿命的优点。
未来，硅将继续主宰半导体制造，然而，越来越多的设计师正在转向替代半导体，材料和制造工艺价格变得越来越实惠。这些材料主要包括化合物半导体碳化硅（SiC），铟镓磷化物（InGaP），磷化铟（InP）和氮化镓（GaN）等。其中，GaN已经开始带来重大收益，特别是在那些速度快，频率高，效率高，耐热性强，高功耗的应用领域。除了硅器件之外，采用新材料和制造工艺的电路已经实现突破，如用GaN制成的器件。这些材料已经创造出了一些有趣的新晶体管类型。
如上InGaPHBT的结构展示了GaAs衬底与集电极，基极和发射极层。所得晶体管在较低的微波频率下具有高增益，且频率低于20GHz。
HBT使用标准BJT配置，但使用不同基极和发射极材料。一个流行的组合是GaAs发射极和AlGaAs基极。结果是在微波频率达到250GHz时，会产生非常高的增益。图4显示出了InGaPHBT的复杂结构。这种组合可用于微波功率放大器。
MESFET或金属外延半导体FET基本上是这样的：具有用于形成肖特基结的金属栅极的JFET
与主导通道。它提供耗尽模式，设备正常打开并被a关闭，施加负栅极电压。MESFET通常由GaAs制成，在微波频率下具有高增益。
MESFET的一个变种是高电子迁移率晶体管（HEMT），也称为结构FET（HFET）或调制掺杂FET（MODFET）。它通常是用具有额外层的GaAs或GaN和肖特基结构成（图5）。耗尽模式是最常见的配置。改进的性能版本是使用pHEMT额外的铟层进一步加速电子运动。这些器件工作在30GHz或更高的频率。
如上是GaNHEMT的基本结构，衬底通常是蓝宝石或碳化硅，也可以使用硅。2DEG表示二维电子气体，一层由电子制成的气体可以在任何方向垂直移动。
最近，GaN已经被用于创建标准的正常关闭增强型MOSFET。这些设备可以使用高达几百伏特的电压，导通电阻非常低。这些GaN-on-Si器件瞄准的是开关模式电源应用。
使GaN如此令人印象深刻的是其高功率密度，而GaAs具有约1.5W/mm的基本功率密度，GaN具有的功率密度在512W/mm。它还具有高电子迁移率，这意味着它可以很好的将信号放大到较高的GHz范围内。典型的GaN晶体管fT为200GHz。此外，它可以做到相对较高的击穿电压水平，达到了80V左右。
GaN器件通常制造在两个不同的衬底上，硅上的GaN或碳化硅（SiC）上的GaN。这两种类型，普遍的共识是功率较低器件使用较便宜的Si衬底。高功率设备具有更好的热性能应使用SiC衬底晶圆。
GaN的缺点是成本很高。现在的成本随着更多的供应商进入市场和使用量下降。这些材料是昂贵的，且制造的过程和设备的成本高昂。随着数量的进一步增加，生产成本会下降，但仍然会保持在高于CMOS工艺成本的水平。
据预测，GaN放大器将开始取代一些TWT卫星和雷达放大器。对于功率转换，GaN也有相当大的优势。GaN晶体管开关是高电压操作，因此是大功率dc-dc转换器和其他开关模式电路的理想选择。在一些应用中，GaN开关晶体管可以代替IGBT。GaN器件可以实现更小尺寸，更有效和耐热的电路，这正是军事应用所必需得。
GaN也适用于除功率以外的应用放大或转换。可以使用GaN做不同类型的晶体管，如MESFET，HBT和pHEMT。这些可用于制造MMIC放大器。随着这些新设备的改进，它们将会逐步取代硅，因为它们能够在40GHz的频率上稳定工作。
GaN制造工艺在不断进步，以降低成本，目前，GaAs继续占主导地位，主要用于具有小信号MMIC，LNA以及低电平的手机和移动无线电的功率放大器。但是，随着GaN成本的降低，以及GaN对小信号应用领域的渗透，砷化镓很可能会失去不少市场，其他用硅（LDMOS），SiGe，SiC将继续找到其独特的利基适合应用。
纳米材料&二维材料
如果说第三代半导体属于推进摩尔定律征途上的另辟蹊径，那么二维材料应用于集成电路暂时就还是一个没有圆的梦想！
当摩尔定律真的走向极限，传统的材料统统失灵，人们不得不思考究竟还有什么材料可以代替传统材料。它们既能保持传统材料作为半导体的基本特性，可以加工成逻辑电路，又可以做到加工工艺到3nm以下，做到更高的集成度。
这个我不想细写，因为现在材料科研界全是在搞这个，graphene（石墨烯）、h-BN（氮化硼）、TMDs（二维金属硫族化合物）、CNTs（碳纳米管），一搜papers，reviews一大堆。
讲真我要吐了，一搜papers，reviews一大堆，性能吹的满天飞，一个产品都没有。别问，问就是石墨烯散热，石墨烯电池。
不过吐槽归吐槽，真的挺希望这些研究将来真的能发挥作用，给摩尔定律续一波命。
等哪天基于二维材料的高性能芯片真的出来了，我就来还愿！
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