全环绕栅极场效应晶体管中纳米片收缩对电热特性的影响机制研究

针对5 nm节点GAAFET因三维堆叠结构和低导热材料包裹导致的散热难题，研究人员通过建立热导率退化模型，揭示了纳米片尺寸缩小加剧声子边界散射的机制。该模型较传统TCAD模拟器精度提升50.4%，证实峰值温度上升4.9%、阈值电压降低3%，为先进制程器件热管理提供理论支撑。

　　

随着半导体工艺进入纳米尺度，全环绕栅极场效应晶体管(GAAFET)因其卓越的栅控能力成为3 nm以下节点的核心器件。然而，三维堆叠结构和低导热材料的包裹导致严重散热瓶颈，自热效应(SHE)引发的器件性能衰退问题日益突出。更棘手的是，纳米片通道长度(L_G
)、宽度(W_NS
)和厚度(T_NS
)的持续缩小会增强声子边界散射，进一步劣化热导率(k)，形成恶性循环。传统TCAD模拟器采用基于玻尔兹曼输运方程(BTE)的近似模型，仅考虑温度和薄膜厚度因素，对纳米片多维尺寸效应的预测偏差高达50.4%，严重制约器件热优化设计。

针对这一挑战，中国研究人员在《Micro and Nanostructures》发表研究，通过建立多物理场耦合模型，首次系统量化了纳米片尺寸收缩对GAAFET电热特性的影响。研究采用国际器件与系统路线图(IRDS)标准的5 nm N型GAAFET结构，结合实验数据校准，创新性地将通道长度、宽度、厚度参数纳入热导率退化模型。通过对比传统TCAD模型，发现纳米片收缩导致热导率劣化呈现显著尺寸依赖性：当L_G
从12 nm增至30 nm时，峰值温度(T_peak
)降幅达6.2%，而传统模型低估3.3%；热阻(R_th
)增幅12.7%远超预期。更关键的是，该研究揭示W_NS
收缩至8 nm时，声子边界散射主导热导率下降，使T_peak
升高4.9%，阈值电压(V_th
)和导通电流(I_on
)分别降低3%与1%。

研究主要运用了三种关键技术：1)基于IRDS标准的5 nm GAAFET器件建模；2)融合尺寸效应的多参数热导率退化算法；3)电热耦合TCAD仿真平台。通过系统分析纳米片尺寸、环境温度与热导率的交互作用，建立了精度较传统模型提升50.4%的预测体系。

研究结果部分显示：
Device structure：采用IRDS标准的5 nm节点N型GAAFET，关键参数包括L_G
=12 nm、W_NS
=12 nm、T_NS
=5 nm。
Degradation of thermal conductivity：提出的热导率模型k(z)引入三维尺寸因子，较传统模型k₀
(T)更准确表征声子平均自由程(λ)的尺寸效应。
Influence of L_G
, W_NS
and T_NS
：W_NS
≤8 nm时，热导率劣化使R_th
增幅较传统模型高9.4个百分点。
Conclusion：证实尺寸相关的热导率退化会加剧SHE，导致器件性能参数偏移超出传统预期。

该研究突破性地量化了纳米片尺寸收缩对GAAFET热特性的影响，为3 nm以下节点器件设计提供关键理论工具。其建立的多参数热导率模型已被证实可准确预测SHE诱发的性能衰退，对解决先进制程散热难题具有重要指导意义。研究团队Yan Li等人特别指出，未来需进一步探索界面粗糙度与应变效应对热导率的影响，以完善纳米尺度热管理理论体系。