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探秘GeMOS：从界面调控到器件工艺集成的关键技术与创新突破

一、绪论

1.1CMOS技术的演进与挑战

自20世纪60年代末CMOS（互补金属氧化物半导体）技术被提出以来，它便迅速成为集成电路制造的主流技术，如今99%的IC芯片，包括大多数数字、模拟和混合信号IC，均采用CMOS技术制造。其发展历程丰富而曲折，起初是从PMOS发展到NMOS，之后又演变为CMOS，如今随着技术需求的不断提升，CMOS技术渐渐难以满足需求，进而又发展出BiCOMS、BCD和HV-CMOS等多个变种工艺技术。

在早期，PMOS晶体管由于其结构简单、易于制造等优势，率先得到应用。PMOS晶体管的源极（Source）和漏极（Drain）由p型半导体制成，衬底（Substrate）为n型半导体，当在栅极（Gate）和源极之间施加负电压时，空穴被吸引到栅极下方形成导电通道，从而使电流能够通过。然而，PMOS晶体管存在一些固有缺点，如载流子迁移率较低，导致其工作速度较慢，这在一定程度上限制了其应用范围。

随着技术的发展，NMOS晶体管应运而生。它采用了相反的结构，源极和漏极采用n型半导体，衬底采用p型半导体。当栅极相对于源极呈正电压时，会在N型硅基底和氧化层之间形成负电荷载流子导电的“沟道”，实现电流的导通。NMOS晶体管的载流子迁移率比PMOS更高，因此工作速度更快，在数字电路等领域得到了广泛应用。

但无论是PMOS还是NMOS，单独使用时都存在一些局限性。于是，CMOS技术将NMOS和PMOS晶体管集成在同一个IC上，两者相互补充。在CMOS电路中，当一个晶体管导通时，另一个关闭，这种互补结构极大地降低了功耗。在没有信号变化时，一个CMOS逻辑门中要么是NMOS导通要么是PMOS导通，静态功耗很低，只有在信号切换时才有显著功耗，这使得基于CMOS技术的IC产生的热量更少。同时，CMOS技术还具有高抗噪性以及集成度更高的优势。随着工艺技术的发展，晶体管的尺寸不断缩小，在同样的芯片面积内可以集成更多的晶体管，并且CMOS技术支持模拟和数字电路的集成，能够在单一芯片上实现复杂的系统级功能，如系统级芯片（SoC），将处理器、内存、mems等多种功能集成在单一芯片上。凭借这些优势，CMOS技术迅速崛起，成为了集成电路制造的核心技术。

在CMOS技术的发展进程中，遵循着摩尔定律，晶体管尺寸不断缩小，集成度持续提高。从早期的微米级工艺，逐步发展到深亚微米、纳米级工艺。在这一过程中，器件性能得到了显著提升，芯片的运行速度越来越快，功耗越来越低，成本也不断降低，推动了计算机、通信、消费电子等众多领域的飞速发展。

然而，随着CMOS技术节点进入到10nm以下，硅基器件逐渐逼近物理极限，面临着诸多严峻的挑战。当晶体管尺寸缩小到一定程度时，量子效应开始凸显。例如，电子的隧穿效应会导致漏电流增加，即使在晶体管关闭状态下，也会有一定的电流泄漏，这不仅增加了功耗，还会影响器件的稳定性和可靠性。短沟道效应也变得愈发严重，沟道长度的缩短使得栅极对沟道的控制能力减弱，阈值电压难以维持稳定，容易出现阈值电压漂移的现象，进而影响器件的开关性能。

随着器件尺寸的缩小，对工艺精度的要求达到了前所未有的高度。在纳米尺度下，任何微小的工艺偏差都可能对器件性能产生巨大影响。光刻技术作为集成电路制造中的关键工艺，也面临着巨大挑战。传统的光刻技术在实现更小线宽时遇到了瓶颈，极紫外光刻（EUV）等先进光刻技术虽然能够满足一定的需求，但设备成本高昂，技术难度大，推广应用面临诸多困难。而且，随着集成度的不断提高，芯片内部的散热问题也日益突出。由于单位面积内的晶体管数量大幅增加，产生的热量难以有效散发，过高的温度会导致器件性能下降，甚至损坏，这对散热技术提出了更高的要求。这些问题严重制约了CMOS技术的进一步发展，亟需寻找新的解决方案。

1.2Ge基CMOS的独特优势与现存挑战

锗（Ge）作为一种重要的半导体材料，在半导体领域的研究历史颇为悠久。早在20世纪中叶，锗就被广泛应用于早期的晶体管制造，成为半导体技术发展初期的关键材料之一。那时，锗晶体管凭借其在低频、低功耗等方面的优势，在电子设备中发挥了重要作用。但随着硅材料的兴起，由于硅在耐高温、抗氧化等性能上表现更优，逐渐取代锗成为半导体器件的主流材料。然而，近年来随着CMOS技术面临瓶颈，锗因其独特的物理性质再次进入人们的视野，成为研究热点。

与传统的硅材料相比，锗基CMOS展现出诸多显著优势。从载流子迁移率方面来看，锗的电子迁移率和空穴迁移率都明显高于硅。其中，锗的电子迁移