我國(guó)科學(xué)家實(shí)現(xiàn)微電子領(lǐng)域的重大原始創(chuàng)新

芯片是電腦的心臟，而芯片的核心是器件。2013年8月10日出版的美國(guó) 《科學(xué)》雜志宣布了一種全新的微電子基礎(chǔ)器件的誕生，這就是復(fù)旦大學(xué)張衛(wèi)團(tuán)隊(duì)研發(fā)的半浮柵晶體管（SFGT）。

多年來(lái)，我國(guó)的集成電路制造工藝長(zhǎng)期處于全球產(chǎn)業(yè)鏈的末端。作為微電子領(lǐng)域的重大原始創(chuàng)新，SFGT的技術(shù)突破將有助于我國(guó)掌握集成電路的關(guān)鍵技術(shù)，在芯片設(shè)計(jì)與制造上獲得更大的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

在過(guò)去的幾十年里，晶體管小型化驗(yàn)證突破有兩個(gè)難題：令人咋舌的制造成本和耗電量。由復(fù)旦大學(xué)微電子學(xué)院副院長(zhǎng)張衛(wèi)領(lǐng)銜的團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑：研發(fā)新型晶體管。經(jīng)過(guò)4年的不懈探索，張衛(wèi)課題組終于在全球范圍內(nèi)率先研發(fā)出半浮柵晶體管，實(shí)現(xiàn)了世界級(jí)的科研突破。

與傳統(tǒng)的晶體管相比，半浮柵晶體管具有結(jié)構(gòu)巧、性能高的特點(diǎn)。 “我們常用的U盤等閃存芯片，采用的浮柵晶體管的器件在寫入和擦除時(shí)，需要較高的操作電壓（接近20 V）和較長(zhǎng)的時(shí)間（微秒級(jí)）?！睆埿l(wèi)說(shuō)，“為了擺脫電壓和時(shí)間的束縛，我們把一個(gè)隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管（TFET）和浮柵晶體管結(jié)合起來(lái)，構(gòu)成了全新的 ‘半浮柵’結(jié)構(gòu)器件”。

張衛(wèi)介紹，半浮柵晶體管可在多類產(chǎn)業(yè)中應(yīng)用，潛在的市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到300億美元以上。但從實(shí)驗(yàn)室的科研論文到大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的核心技術(shù)還有一步之遙。張衛(wèi)期盼實(shí)現(xiàn)三方合作，即設(shè)計(jì)公司出產(chǎn)品、制造企業(yè)生產(chǎn)、復(fù)旦大學(xué)提供技術(shù)支持，從而加快實(shí)現(xiàn)該技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化。團(tuán)隊(duì)成員之一、復(fù)旦大學(xué)微電子學(xué)院教授王鵬飛坦言： “我們現(xiàn)在僅領(lǐng)先半年左右?！睘榇?，張衛(wèi)建議，我國(guó)科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)需要快速構(gòu)建一個(gè)以SFGT為核心技術(shù)專利的專利群，從而搶占未來(lái)世界微電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個(gè)制高點(diǎn)。

延伸閱讀

MOSFET晶體管、浮柵晶體管與半浮柵晶體管

MOSFET晶體管和浮柵晶體管廣泛地應(yīng)用于當(dāng)前主流的芯片之中。

盡管制造工藝進(jìn)步讓MOSFET晶體管可以縮小尺寸，但是其功率密度卻一直無(wú)法降低。這導(dǎo)致了該器件的功耗非常高。 “舉個(gè)例子，如果CPU上面不帶電風(fēng)扇的話，可能你一開電腦，芯片就會(huì)‘唰’地一下燒起來(lái)，”復(fù)旦大學(xué)微電子學(xué)院副院長(zhǎng)張衛(wèi)介紹說(shuō)，“MOSFET晶體管集成電路如果進(jìn)一步做小到十幾納米左右，那么它的功耗將巨大得不可接受”。

另一種常見的集成電路器件是浮柵晶體管，多應(yīng)用于閃存（U盤），其特點(diǎn)是即使斷電，信息也不會(huì)丟失，但是在寫入和擦除數(shù)據(jù)時(shí)，該晶體管都會(huì)放出大量的熱量。這和它的工作原理有關(guān)：傳統(tǒng)的浮柵晶體管利用 “柵”結(jié)構(gòu)來(lái)調(diào)節(jié)電場(chǎng)、實(shí)現(xiàn)“存儲(chǔ)”功能，利用高電壓寫入 “數(shù)據(jù)”，而 “擦除”則要用更高的電壓。此外，受 “柵”結(jié)構(gòu)工作原理的影響，由浮柵晶體管制成的集成電路在速度上也受到了較大的限制。

而半浮柵晶體管則在降低功耗和提高性能這兩方面都取得了很大的突破。通過(guò)將柵結(jié)構(gòu)和突破性的隧穿（TEFT）晶體管結(jié)構(gòu)相結(jié)合，半浮柵晶體管極大地降低了自身的能耗；擁有量子隧穿結(jié)構(gòu)（TFET）的半浮柵晶體管比傳統(tǒng)MOSFET晶體管的體積更小、集成度更高，即使把集成電路做到十幾納米，半浮柵晶體管組成的器件依然能保持很低的能耗。