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北京時(shí)間2013年8月9日出版的最新一期《科學(xué)》雜志（Science）刊發(fā)了復(fù)旦大學(xué)微電子學(xué)院張衛(wèi)團(tuán)隊(duì)最新科研論文，該團(tuán)隊(duì)提出并實(shí)現(xiàn)了一種新型的微電子基礎(chǔ)器件：半浮柵晶體管（SFGT，Semi-Floating-Gate Transistor）。這是我國(guó)科學(xué)家在該頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表的第一篇微電子器件領(lǐng)域的原創(chuàng)性成果。
據(jù)悉，當(dāng)代集成電路科技的發(fā)展主要是基于摩爾定律，該定律是由英特爾公司創(chuàng)始人之一戈登?摩爾提出的：芯片上的晶體管特征尺寸在不斷地縮小，使得芯片上的晶體管數(shù)量每隔18個(gè)月便會(huì)增加一倍。
目前，集成電路的量產(chǎn)技術(shù)已發(fā)展到了22納米技術(shù)節(jié)點(diǎn)，盡管我國(guó)在自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)集成電路技術(shù)上取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，但集成電路的核心技術(shù)基本上依然由國(guó)外公司擁有。我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)主要依靠引進(jìn)和吸收國(guó)外成熟的技術(shù)，在微電子核心器件及集成工藝上缺乏核心技術(shù)。半浮柵晶體管（SFGT）作為一種新型的微電子基礎(chǔ)器件，它的成功研制將有助于我國(guó)掌握集成電路的核心技術(shù)，從而在芯片設(shè)計(jì)與制造上逐漸獲得更多話語(yǔ)權(quán)。
微電子學(xué)院實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)臺(tái)
半浮柵晶體管（SFGT）：結(jié)構(gòu)巧 性能高
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晶體管的尺寸不斷縮小，而其功率密度也一直在升高。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。閃存又稱“非揮發(fā)性存儲(chǔ)器”。所謂“非揮發(fā)”，就是在芯片沒有供電的情況下，信息仍被保存不會(huì)丟失。這種器件在寫入和擦除時(shí)都需要有電流通過一層接近5納米厚的氧化硅介質(zhì)，因此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)）。復(fù)旦大學(xué)的科學(xué)家們把一個(gè)隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管（TFET）和浮柵器件結(jié)合起來(lái)，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。
“硅基TFET晶體管使用了硅體內(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)。”論文第一作者王鵬飛教授解釋說。“隧穿”是量子世界的常見現(xiàn)象，可以“魔術(shù)般”地通過固體，好像擁有了穿墻術(shù)。“隧穿”勢(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，半浮柵晶體管（SFGT）的“數(shù)據(jù)”擦寫更加容易、迅速。“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)解釋說，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8.9 eV）的二氧化硅絕緣介質(zhì)，而半浮柵晶體管（SFGT）的隧穿發(fā)生在禁帶寬度僅1.1 eV的硅材料內(nèi)，隧穿勢(shì)壘大為降低。打個(gè)比方，原來(lái)在浮柵晶體管中，電子需要穿過的是一堵“鋼筋水泥墻”，而在半浮柵晶體管中只需要穿過“木板墻”，“穿墻”的難度和所需的電壓得以大幅降低，而速度則明顯提升。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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。
新型晶體管可在三大領(lǐng)域應(yīng)用 擁有巨大的潛在市場(chǎng)
作為一種新型的基礎(chǔ)器件，半浮柵晶體管（SFGT）可應(yīng)用于不同的集成電路。首先，它可以取代一部分的SRAM，即靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器。SRAM是一種具有高速靜態(tài)存取功能的存儲(chǔ)器，多應(yīng)用于中央處理器(CPU)內(nèi)的高速緩存，對(duì)處理器性能起到?jīng)Q定性的作用。傳統(tǒng)SRAM需用6個(gè)MOSFET晶體管才能構(gòu)成一個(gè)存儲(chǔ)單元，集成度較低，占用面積大。半浮柵晶體管則可以單個(gè)晶體管構(gòu)成一個(gè)存儲(chǔ)單元，存儲(chǔ)速度接近由6個(gè)晶體管構(gòu)成的SRAM存儲(chǔ)單元。因此，由半浮柵晶體管（SFGT）構(gòu)成的SRAM單元面積更小，密度相比傳統(tǒng)SRAM大約可提高10倍。顯然如果在同等工藝尺寸下，半浮柵晶體管（SFGT）構(gòu)成的SRAM具有高密度和低功耗的明顯優(yōu)勢(shì)。
其次，半浮柵晶體管（SFGT）還可以應(yīng)用于DRAM領(lǐng)域。DRAM（Dynamic Random Access Memory），即動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器，廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)內(nèi)存。其基本單元由1T1C構(gòu)成，也就是一個(gè)晶體管加一個(gè)電容的結(jié)構(gòu)。由于其電容需要保持一定電荷量來(lái)有效地存儲(chǔ)信息，無(wú)法像MOSFET那樣持續(xù)縮小尺寸。業(yè)界通常通過挖“深槽”等手段制造特殊結(jié)構(gòu)的電容來(lái)縮小其占用的面積，但隨著存儲(chǔ)密度提升，電容加工的技術(shù)難度和成本大幅度提高。因此，業(yè)界一直在尋找可以用于制造DRAM的無(wú)電容器件技術(shù)，而半浮柵晶體管（SFGT）構(gòu)成的DRAM無(wú)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，而且集成度更高，讀寫速度更快。
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