中國(guó)半浮柵晶體管橫空出世 應(yīng)避免被國(guó)外趕超

8月9日出版的《科學(xué)》(Science)雜志刊發(fā)了復(fù)旦大學(xué)微電子學(xué)院張衛(wèi)課題組最新科研論文，該課題組提出并實(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-GateTransistor)。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，標(biāo)志著我國(guó)在全球尖端集成電路技術(shù)創(chuàng)新鏈中獲得重大突破。

集成電路產(chǎn)業(yè)獲突破

經(jīng)過(guò)十余年的發(fā)展，當(dāng)前我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)銷售收入從2001年的199億元，提高到2011年的1572億元，占全球集成電路市場(chǎng)的比重提高到9.8%、銷售收入年均增長(zhǎng)23.7%。

但是必須正視的是，我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展依然存在不少問(wèn)題。工業(yè)和信息化部電子信息司司長(zhǎng)丁文武曾撰文指出，我國(guó)產(chǎn)品自主供應(yīng)不足，持續(xù)創(chuàng)新能力亟待加強(qiáng)，產(chǎn)業(yè)對(duì)外依存度高。

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，集成電路產(chǎn)業(yè)也主要依靠引進(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)。為此，作為一種新型的微電子基礎(chǔ)器件，復(fù)旦大學(xué)半浮柵晶體管的橫空出世將有助于我國(guó)掌握集成電路的核心技術(shù)，從而在國(guó)際芯片設(shè)計(jì)與制造上逐漸獲得更多話語(yǔ)權(quán)。

結(jié)構(gòu)巧、性能高

據(jù)悉，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晶體管的尺寸正在不斷縮小，而其功率密度也一直在升高。

人們常用的U盤等閃存芯片則采用了另一種稱為浮柵晶體管的器件。閃存又稱為“非揮發(fā)性存儲(chǔ)器”——所謂“非揮發(fā)”，即指芯片在沒(méi)有供電的情況下，信息仍能被保存而不會(huì)丟失。這種器件在寫入和擦除時(shí)都需要有電流通過(guò)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)的科研人員們把一個(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，被稱為“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(guò)絕緣介質(zhì)。”論文第一作者、復(fù)旦大學(xué)教授王鵬飛對(duì)記者解釋說(shuō)。

“隧穿”是量子世界的常見現(xiàn)象，可以“魔術(shù)般”地通過(guò)固體，類似于“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，半浮柵晶體管的“數(shù)據(jù)”擦寫便更加容易與迅速。

“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(shuō)，傳統(tǒng)浮柵晶體管是將電子隧穿過(guò)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。

潛在市場(chǎng)巨大

作為一種新型的基礎(chǔ)器件，半浮柵晶體管可應(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。其次，半浮柵晶體管還可以應(yīng)用于DRAM，即動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器領(lǐng)域。半浮柵晶體管不但應(yīng)用于存儲(chǔ)器，它還可以應(yīng)用于主動(dòng)式圖像傳感器芯片(APS)。由單個(gè)半浮柵晶體管構(gòu)成的新型圖像傳感器單元在面積上能縮小20%以上，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。

目前，SRAM、DRAM和圖像傳感器技術(shù)的核心專利基本上由美光、三星、Intel、索尼等國(guó)外公司控制。

“在這些領(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(méi)有。”張衛(wèi)說(shuō)。

據(jù)了解，半浮柵晶體管在存儲(chǔ)和圖像傳感等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用市場(chǎng)規(guī)?？蛇_(dá)到300億美元以上。而且，半浮柵晶體管兼容現(xiàn)有主流硅集成電路制造工藝，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)，具有很好的產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)。

據(jù)張衛(wèi)透露，目前針對(duì)半浮柵晶體管的優(yōu)化和電路設(shè)計(jì)工作已經(jīng)開始。對(duì)于產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，他表示，希望能夠有設(shè)計(jì)和制造伙伴與科研團(tuán)隊(duì)進(jìn)行對(duì)接，向產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)。

不過(guò)，擁有核心專利并不等于擁有未來(lái)的廣闊市場(chǎng)。盡管半浮柵晶體管應(yīng)用市場(chǎng)廣闊，但前提是必須進(jìn)行核心專利的優(yōu)化布局。

張衛(wèi)表示，希望能布局得更快一點(diǎn)，避免被國(guó)外的大公司趕超。實(shí)際上，國(guó)外大公司擁有資金和人才優(yōu)勢(shì)，可以大規(guī)模申請(qǐng)專利，與之對(duì)比，張衛(wèi)課題組明顯“勢(shì)單力薄”。他表示，目前的半浮柵晶體管是在較大工藝技術(shù)節(jié)點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)的，主要是為了驗(yàn)證器件性能。未來(lái)研究工作主要集中于器件性能的優(yōu)化和進(jìn)一步提升，相關(guān)應(yīng)用的電路設(shè)計(jì)和關(guān)鍵IP技術(shù)，以及技術(shù)節(jié)點(diǎn)縮小帶來(lái)的一系列工藝問(wèn)題等。