如何讓未來的電腦、手機、數碼相機等電子產品乃至衛星通訊的速度更快、功能更強、功耗更小？這(zhe)一切(qie)都(dou)離(li)不(bu)開集成電路(lu)芯片的核(he)(he)心作(zuo)用。小小芯片可以搏動整個電子行業的“大動脈”。
8月9日出版的最新一期《科學》雜誌上，中國科學家的半浮柵晶體管（SFGT）研發成果引起世界關注，因為它有望讓電子芯片的性能實現突破性提升。這篇由複旦大學微電子學院張衛教授課題組發表的最新科研論文，也是我國在該學術期刊上發表的首篇微電子器件領域原創性成果。
半導體加工面臨物理極限，半浮柵晶體管提速節能，或突破瓶頸
金(jin)屬—氧化物(wu)—半導(dao)體場效(xiao)應晶體管（MOSFET）是目前(qian)集成電(dian)路中最基(ji)本的(de)(de)器件(jian)，工藝的(de)(de)進步讓MOSFET的(de)(de)尺寸不(bu)斷(duan)縮小，其功率密(mi)度也一直在升高。低(di)功(gong)率(lv)的隧穿場效(xiao)應晶體(ti)管（TFET）被認(ren)(ren)為(wei)是(shi)該(gai)器件發(fa)展的一大未來技(ji)(ji)術(shu)走(zou)向。而我(wo)(wo)們常(chang)用(yong)(yong)(yong)的U盤等閃存(cun)芯片(pian)則採用(yong)(yong)(yong)了(le)另一(yi)種稱為浮柵(zha)晶(jing)體(ti)(ti)管的器(qi)件，它在寫入和(he)擦(ca)除(chu)時(shi)需要(yao)較高的操作電(dian)壓(ya)（接近(jin)20伏）和(he)較長的時(shi)間(jian)（微(wei)秒(miao)級(ji)）。據專家介紹，隨著器件尺寸越來越接近其物理極限，基於新結構和新原理的晶體管成為當前業界急需。
張衛科研團隊的科學家們嘗試把一個TFET和浮(fu)柵(zha)(zha)(zha)器件結(jie)合起來，構成(cheng)了一種(zhong)全新的“半浮(fu)柵(zha)(zha)(zha)”結(jie)構的器件，稱為(wei)半浮(fu)柵(zha)(zha)(zha)晶(jing)體管，它具(ju)有(you)結(jie)構巧、性(xing)(xing)能高(gao)的特(te)(te)點，為芯片低功耗的實現創造了條件。
“矽(xi)(xi)基(ji)TFET使(shi)用(yong)了矽(xi)(xi)體內的量子隧(sui)穿效應，而傳(chuan)(chuan)統(tong)的浮柵晶(jing)體管的擦寫(xie)操作(zuo)則是使(shi)電(dian)子隧(sui)穿過(guo)絕(jue)緣介(jie)(jie)質(zhi)。”論(lun)文第一作(zuo)者王(wang)鵬飛教授解(jie)釋說(shuo)。 “隧(sui)(sui)穿(chuan)”是(shi)量子世界(jie)的(de)常見現象(xiang)，可以(yi)“魔術(shu)般(ban)”地(di)通過固(gu)體(ti)，好像(xiang)擁(yong)有穿(chuan)牆術(shu)。 “隧(sui)穿”勢壘(lei)越(yue)低，相當於(wu)“牆(qiang)”就(jiu)越(yue)薄(bo)，器件隧(sui)穿所需(xu)(xu)電壓(ya)也就(jiu)越(yue)低。把TFET和(he)(he)浮(fu)柵相結(jie)合(he)，TFET為(wei)浮(fu)柵充放(fang)(fang)(fang)電、完成“數(shu)據(ju)擦寫”的(de)(de)操作，“半(ban)浮(fu)柵”則實現“數(shu)據(ju)存放(fang)(fang)(fang)和(he)(he)讀出(chu)”的(de)(de)功能。張衛(wei)介(jie)紹說，傳統浮柵晶(jing)體(ti)管(guan)(guan)是(shi)將電子隧(sui)(sui)穿(chuan)過(guo)高(gao)勢(shi)壘（禁(jin)帶(dai)(dai)寬(kuan)度(du)接近8.9eV）的(de)(de)(de)二(er)氧化(hua)矽絕緣介(jie)質，而半浮柵晶(jing)體(ti)管(guan)(guan)的(de)(de)(de)隧(sui)(sui)穿(chuan)發(fa)生在禁(jin)帶(dai)(dai)寬(kuan)度(du)僅1.1eV的(de)(de)(de)矽(xi)材料(liao)內，隧穿勢(shi)壘大為(wei)降(jiang)低。這可以讓半浮柵晶體管的數據擦寫更加容易、迅速，整個過程都可以在低電壓條件下完成，為實現芯片低功耗運行創造了條件。
作(zuo)為(wei)一(yi)種新型基礎器(qi)(qi)件，半浮(fu)柵晶體管(guan)可應用(yong)於不同(tong)的(de)集(ji)成電路。它可以取(qu)代一部分(fen)靜(jing)態(tai)隨機(ji)(ji)存儲(chu)器（SRAM），提(ti)高(gao)(gao)高(gao)(gao)速處(chu)理器性(xing)能(neng)；也可以應用於(wu)動(dong)(dong)態(tai)隨機(ji)(ji)存儲(chu)器（DRAM）領(ling)(ling)域，提(ti)高(gao)(gao)計算(suan)機(ji)(ji)內(nei)存功能(neng)。由半浮柵晶體管構成的SRAM密度相比傳統SRAM大約可提高10倍；它構成的DRAM無需電容器便可實現傳統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(ban)浮(fu)柵(zha)晶體(ti)管(guan)(guan)還可(ke)以(yi)應用(yong)於主動式圖像(xiang)(xiang)傳(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)芯片（APS），所構成(cheng)的(de)新型圖像(xiang)(xiang)傳(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)單元在(zai)面(mian)積上(shang)能縮(suo)小(xiao)20%以(yi)上(shang)，且(qie)感(gan)光單元密度(du)提(ti)高(gao)，使圖像(xiang)(xiang)傳(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)芯片的(de)分(fen)辨率(lv)和(he)靈(ling)敏度(du)得(de)到提(ti)升(sheng)。
與現有製造工藝兼容度高，更快產業化還需政府支持
張(zhang)衛領導的團隊長期以(yi)來一(yi)直從(cong)事(shi)集成(cheng)電路工藝和新型半導體器件的研發(fa)。團隊(dui)研(yan)究骨乾為(wei)了(le)共同的(de)研(yan)究興趣和目標(biao)，從(cong)世界(jie)各地(di)陸(lu)續(xu)(xu)加(jia)入復旦大學(xue)(xue)。該團隊近5年來已有多項研究成果發表於《科學》及本領域頂級國際期刊上，獲得中國及美國專利授權30餘項。
張(zhang)衛介紹(shao)說(shuo)，目前(qian)DRAM、SRAM和(he)圖(tu)像(xiang)傳(chuan)感器(qi)技術的(de)核心(xin)專利基本上(shang)都是被(bei)美光(guang)、三星、英(ying)特(te)爾(er)、索(suo)尼等國外公(gong)司控制。 “在(zai)這些領(ling)域，中(zhong)國(guo)大陸具(ju)有自主知識產(chan)(chan)權且(qie)(qie)可(ke)(ke)應用(yong)的產(chan)(chan)品(pin)幾乎沒有。”據(ju)預估，半浮(fu)柵(zha)晶體(ti)管作(zuo)為(wei)一種(zhong)基礎(chu)電子器件(jian)，在(zai)存儲和圖像傳(chuan)(chuan)感等領(ling)域的潛在(zai)應用(yong)市場規(gui)模達到300億美元以上。
不(bu)同(tong)於實驗(yan)(yan)室研究(jiu)(jiu)的(de)(de)基(ji)於碳(tan)納米管(guan)、石(shi)墨烯(xi)等新(xin)(xin)材(cai)料的(de)(de)晶(jing)體管(guan)，半浮柵晶(jing)體管(guan)是一種基(ji)於標(biao)(biao)準(zhun)(zhun)矽CMOS工(gong)藝的(de)(de)微(wei)電子器件(jian)，兼容(rong)現有(you)主(zhu)流矽集成電路(lu)製(zhi)造工(gong)藝，具有(you)很(hen)好的(de)(de)產(chan)業(ye)化基礎(chu)(chu)。張衛教授(shou)表示，半(ban)浮柵(zha)晶(jing)體(ti)管(guan)(guan)並不需(xu)(xu)要(yao)對(dui)現(xian)有(you)集成電(dian)路製造(zao)工(gong)藝(yi)進行很大的改(gai)動。不過，新型器件還需要大量工作才能逐步實現產業化。
張衛(wei)表(biao)示(shi)，我國(guo)(guo)在(zai)集成(cheng)電路技(ji)術(shu)(shu)上(shang)跟(gen)(gen)國(guo)(guo)際領先水(shui)平還有不(bu)小距離，產業界(jie)主要(yao)依(yi)靠(kao)引(yin)進(jin)和吸收國(guo)(guo)外(wai)成(cheng)熟的技(ji)術(shu)(shu)，而(er)缺乏核心(xin)技(ji)術(shu)(shu)。國(guo)外集(ji)成(cheng)電路廠商常會以高(gao)價(jia)將落(luo)後一(yi)(yi)到兩(liang)(liang)代的(de)技(ji)術(shu)(shu)淘汰(tai)給中國(guo)企業。半(ban)浮(fu)柵(zha)晶(jing)體管的(de)(de)發(fa)明及產(chan)業(ye)化(hua)推(tui)廣(guang)，實際(ji)上(shang)(shang)是通過新(xin)型(xing)基礎器件的(de)(de)技術(shu)(shu)優(you)勢來彌補(bu)我國集成電路(lu)企(qi)業(ye)在(zai)核心技術(shu)(shu)上(shang)(shang)的(de)(de)差(cha)(cha)距。如果(guo)將新器件(jian)技(ji)術(shu)(shu)轉(zhuan)化為生(sheng)產(chan)力(li)，中國(guo)集(ji)成(cheng)電路企(qi)業(ye)(ye)可(ke)以(yi)在(zai)某(mou)些應用領域(yu)大幅減(jian)少對(dui)國(guo)外技(ji)術(shu)(shu)的(de)依賴(lai)，並(bing)形(xing)(xing)成(cheng)具(ju)有(you)極強競(jing)爭力(li)的(de)自(zi)主核心技(ji)術(shu)(shu)。這需要(yao)政(zheng)府和(he)相(xiang)(xiang)關部(bu)門(men)的大力(li)支(zhi)持。另外，實現半浮柵晶體管技術的產業化推廣，也需要加強產學研的緊密合作。
擁有(you)核心專(zhuan)利(li)並不等(deng)於擁有(you)未來的廣闊市(shi)場。儘管半(ban)浮柵晶(jing)體(ti)管應(ying)用(yong)市場(chang)廣闊(kuo)，但前(qian)提是核心專(zhuan)利的優化佈(bu)局(ju)。 “我們(men)的(de)(de)佈局要做(zuo)得(de)更(geng)快一點(dian)，避免被國外的(de)(de)大公(gong)司(si)很快地(di)(di)趕(gan)超(chao)。”張衛不無(wu)擔(dan)憂(you)。他們(men)未來的研究(jiu)工(gong)作(zuo)主要(yao)(yao)集(ji)中於器件性(xing)能的優(you)化(hua)和進一步提(ti)升(sheng)等。
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