中國半浮柵晶體管橫空出世 應避免被國外趕超

　　8月9日出版的《科學(xué)》(Science)雜志刊發(fā)了復旦大學(xué)微電子學(xué)院張衛課題組最新科研論文，該課題組提出并實(shí)現了一種新型的微電子基礎器件：半浮柵晶體管(SFGT，Semi-Floating-GateTransistor)。這是我國科學(xué)家在該頂級學(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，標志著(zhù)我國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，當前我國集成電路產(chǎn)業(yè)銷(xiāo)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(xiāo)售收入年均增長(cháng)23.7%。

　　但是必須正視的是，我國集成電路產(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(cháng)丁文武曾撰文指出，我國產(chǎn)品自主供應不足，持續創(chuàng )新能力亟待加強，產(chǎn)業(yè)對外依存度高。

　　盡管我國在自主知識產(chǎn)權集成電路技術(shù)上取得了長(cháng)足進(jìn)步，但集成電路的核心技術(shù)基本上依然由國外公司擁有，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器件，復旦大學(xué)半浮柵晶體管的橫空出世將有助于我國掌握集成電路的核心技術(shù)，從而在國際芯片設計與制造上逐漸獲得更多話(huà)語(yǔ)權。

　　結構巧、性能高

　　據悉，金屬—氧化物—半導體場(chǎng)效應晶體管(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(pán)等閃存芯片則采用了另一種稱(chēng)為浮柵晶體管的器件。閃存又稱(chēng)為“非揮發(fā)性存儲器”——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(xiě)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(cháng)的時(shí)間(微秒級)。

　　復旦大學(xué)的科研人員們把一個(gè)隧穿場(chǎng)效應晶體管(TFET)和浮柵器件結合起來(lái)，構成了一種全新的“半浮柵”結構的器件，被稱(chēng)為“半浮柵晶體管”。“硅基TFET晶體管使用了硅體內的量子隧穿效應，而傳統的浮柵晶體管的擦寫(xiě)操作則是使電子隧穿過(guò)絕緣介質(zhì)。”論文第一作者、復旦大學(xué)教授王鵬飛對記者解釋說(shuō)。

　　“隧穿”是量子世界的常見(jiàn)現象，可以“魔術(shù)般”地通過(guò)固體，類(lèi)似于“穿墻術(shù)”。“隧穿”勢壘越低，相當于“墻”就越薄，器件隧穿所需電壓也就越低。把TFET和浮柵相結合，半浮柵晶體管的“數據”擦寫(xiě)便更加容易與迅速。

　　“TFET為浮柵充放電、完成‘數據擦寫(xiě)’的操作，‘半浮柵’則實(shí)現‘數據存放和讀出’的功能。”張衛解釋說(shuō)，傳統浮柵晶體管是將電子隧穿過(guò)高勢壘(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，隧穿勢壘大為降低。

　　潛在市場(chǎng)巨大

　　作為一種新型的基礎器件，半浮柵晶體管可應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)隨機存儲器。其次，半浮柵晶體管還可以應用于DRAM，即動(dòng)態(tài)隨機存儲器領(lǐng)域。半浮柵晶體管不但應用于存儲器，它還可以應用于主動(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(zhuān)利基本上由美光、三星、Intel、索尼等國外公司控制。

　　“在這些領(lǐng)域，中國大陸具有自主知識產(chǎn)權且可應用的產(chǎn)品幾乎沒(méi)有。”張衛說(shuō)。

　　據了解，半浮柵晶體管在存儲和圖像傳感等領(lǐng)域的潛在應用市場(chǎng)規?？蛇_到300億美元以上。而且，半浮柵晶體管兼容現有主流硅集成電路制造工藝，并不需要對現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。

　　據張衛透露，目前針對半浮柵晶體管的優(yōu)化和電路設計工作已經(jīng)開(kāi)始。對于產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，他表示，希望能夠有設計和制造伙伴與科研團隊進(jìn)行對接，向產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)。

　　不過(guò)，擁有核心專(zhuān)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用市場(chǎng)廣闊，但前提是必須進(jìn)行核心專(zhuān)利的優(yōu)化布局。

　　張衛表示，希望能布局得更快一點(diǎn)，避免被國外的大公司趕超。實(shí)際上，國外大公司擁有資金和人才優(yōu)勢，可以大規模申請專(zhuān)利，與之對比，張衛課題組明顯“勢單力薄”。他表示，目前的半浮柵晶體管是在較大工藝技術(shù)節點(diǎn)上實(shí)現的，主要是為了驗證器件性能。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)應用的電路設計和關(guān)鍵IP技術(shù)，以及技術(shù)節點(diǎn)縮小帶來(lái)的一系列工藝問(wèn)題等。