半浮柵晶體管搏動(dòng)整個(gè)電子行業(yè)的“大動(dòng)脈”。

摘要：  如何讓未來的電腦、手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)等電子產(chǎn)品乃至衛(wèi)星通訊的速度更快、功能更強(qiáng)、功耗更小?這一切都離不開集成電路芯片的核心作用。小小芯片可以搏動(dòng)整個(gè)電子行業(yè)的“大動(dòng)脈”。

8月9日出版的最新一期《科學(xué)》雜志上，中國(guó)科學(xué)家的半浮柵晶體管(SFGT)研發(fā)成果引起世界關(guān)注，因?yàn)樗型岆娮有酒男阅軐?shí)現(xiàn)突破性提升。這篇由復(fù)旦大學(xué)微電子學(xué)院張衛(wèi)教授課題組發(fā)表的最新科研論文，也是我國(guó)在該學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表的首篇微電子器件領(lǐng)域原創(chuàng)性成果。

半導(dǎo)體加工面臨物理極限，半浮柵晶體管提速節(jié)能，或突破瓶頸

金屬—氧化物—半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)是目前集成電路中最基本的器件，工藝的進(jìn)步讓MOSFET的尺寸不斷縮小，其功率密度也一直在升高。低功率的隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管(TFET)被認(rèn)為是該器件發(fā)展的一大未來技術(shù)走向。而我們常用的U盤等閃存芯片則采用了另一種稱為浮柵晶體管的器件，它在寫入和擦除時(shí)需要較高的操作電壓(接近20伏)和較長(zhǎng)的時(shí)間(微秒級(jí))。據(jù)專家介紹，隨著器件尺寸越來越接近其物理極限，基于新結(jié)構(gòu)和新原理的晶體管成為當(dāng)前業(yè)界急需。

張衛(wèi)科研團(tuán)隊(duì)的科學(xué)家們嘗試把一個(gè)TFET和浮柵器件結(jié)合起來，構(gòu)成了一種全新的“半浮柵”結(jié)構(gòu)的器件，稱為半浮柵晶體管，它具有結(jié)構(gòu)巧、性能高的特點(diǎn)，為芯片低功耗的實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造了條件。

“硅基TFET使用了硅體內(nèi)的量子隧穿效應(yīng)，而傳統(tǒng)的浮柵晶體管的擦寫操作則是使電子隧穿過絕緣介質(zhì)?！闭撐牡谝蛔髡咄貔i飛教授解釋說?！八泶笔橇孔邮澜绲某Ｒ姮F(xiàn)象，可以“魔術(shù)般”地通過固體，好像擁有穿墻術(shù)?！八泶眲?shì)壘越低，相當(dāng)于“墻”就越薄，器件隧穿所需電壓也就越低。把TFET和浮柵相結(jié)合，TFET為浮柵充放電、完成“數(shù)據(jù)擦寫”的操作，“半浮柵”則實(shí)現(xiàn)“數(shù)據(jù)存放和讀出”的功能。張衛(wèi)介紹說，傳統(tǒng)浮柵晶體管是將電子隧穿過高勢(shì)壘(禁帶寬度接近8.9eV)的二氧化硅絕緣介質(zhì)，而半浮柵晶體管的隧穿發(fā)生在禁帶寬度僅1.1eV的硅材料內(nèi)，隧穿勢(shì)壘大為降低。這可以讓半浮柵晶體管的數(shù)據(jù)擦寫更加容易、迅速，整個(gè)過程都可以在低電壓條件下完成，為實(shí)現(xiàn)芯片低功耗運(yùn)行創(chuàng)造了條件。

作為一種新型基礎(chǔ)器件，半浮柵晶體管可應(yīng)用于不同的集成電路。它可以取代一部分靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(SRAM)，提高高速處理器性能;也可以應(yīng)用于動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(DRAM)領(lǐng)域，提高計(jì)算機(jī)內(nèi)存功能。由半浮柵晶體管構(gòu)成的SRAM密度相比傳統(tǒng)SRAM大約可提高10倍;它構(gòu)成的DRAM無需電容器便可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)DRAM全部功能，不但成本大幅降低，且集成度更高，讀寫速度更快。

半浮柵晶體管還可以應(yīng)用于主動(dòng)式圖像傳感器芯片(APS)，所構(gòu)成的新型圖像傳感器單元在面積上能縮小20%以上，且感光單元密度提高，使圖像傳感器芯片的分辨率和靈敏度得到提升。

與現(xiàn)有制造工藝兼容度高，更快產(chǎn)業(yè)化還需政府支持　　

張衛(wèi)領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期以來一直從事集成電路工藝和新型半導(dǎo)體器件的研發(fā)。團(tuán)隊(duì)研究骨干為了共同的研究興趣和目標(biāo)，從世界各地陸續(xù)加入復(fù)旦大學(xué)。該團(tuán)隊(duì)近5年來已有多項(xiàng)研究成果發(fā)表于《科學(xué)》及本領(lǐng)域頂級(jí)國(guó)際期刊上，獲得中國(guó)及美國(guó)專利授權(quán)30余項(xiàng)。

張衛(wèi)介紹說，目前DRAM、SRAM和圖像傳感器技術(shù)的核心專利基本上都是被美光、三星、英特爾、索尼等國(guó)外公司控制?！霸谶@些領(lǐng)域，中國(guó)大陸具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)且可應(yīng)用的產(chǎn)品幾乎沒有?！睋?jù)預(yù)估，半浮柵晶體管作為一種基礎(chǔ)電子器件，在存儲(chǔ)和圖像傳感等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到300億美元以上。

不同于實(shí)驗(yàn)室研究的基于碳納米管、石墨烯等新材料的晶體管，半浮柵晶體管是一種基于標(biāo)準(zhǔn)硅CMOS工藝的微電子器件，兼容現(xiàn)有主流硅集成電路制造工藝，具有很好的產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)。張衛(wèi)教授表示，半浮柵晶體管并不需要對(duì)現(xiàn)有集成電路制造工藝進(jìn)行很大的改動(dòng)。不過，新型器件還需要大量工作才能逐步實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

張衛(wèi)表示，我國(guó)在集成電路技術(shù)上跟國(guó)際領(lǐng)先水平還有不小距離，產(chǎn)業(yè)界主要依靠引進(jìn)和吸收國(guó)外成熟的技術(shù)，而缺乏核心技術(shù)。國(guó)外集成電路廠商常會(huì)以高價(jià)將落后一到兩代的技術(shù)淘汰給中國(guó)企業(yè)。半浮柵晶體管的發(fā)明及產(chǎn)業(yè)化推廣，實(shí)際上是通過新型基礎(chǔ)器件的技術(shù)優(yōu)勢(shì)來彌補(bǔ)我國(guó)集成電路企業(yè)在核心技術(shù)上的差距。如果將新器件技術(shù)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，中國(guó)集成電路企業(yè)可以在某些應(yīng)用領(lǐng)域大幅減少對(duì)國(guó)外技術(shù)的依賴，并形成具有極強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力的自主核心技術(shù)。這需要政府和相關(guān)部門的大力支持。另外，實(shí)現(xiàn)半浮柵晶體管技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化推廣，也需要加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研的緊密合作。

擁有核心專利并不等于擁有未來的廣闊市場(chǎng)。盡管半浮柵晶體管應(yīng)用市場(chǎng)廣闊，但前提是核心專利的優(yōu)化布局?！拔覀兊牟季忠龅酶煲稽c(diǎn)，避免被國(guó)外的大公司很快地趕超?！睆埿l(wèi)不無擔(dān)憂。他們未來的研究工作主要集中于器件性能的優(yōu)化和進(jìn)一步提升等。