半浮栅晶体管将引发芯片革命

最近，上海复旦大学微电子学院张卫教授带领的科研团队，成功地研制出半浮栅晶体管 （SFGT： Semi-Floating-Gate Transistor），有望让电子芯片的性能实现突破性的提升。该成果发表在2013年8月9日的《科学》杂志上，这也是我国科学家在 《科学》上发表的首篇有关微电子器件的研究论文。

金属-氧化物-半导体场效应晶体管 （MOSFET）和浮栅晶体管是广泛应用于当前主流芯片的两种器件。前者是目前集成电路中最基本的器件，工艺的进步让其尺寸不断地缩小，功耗却一直无法降低，低功率的隧穿场效应晶体管 （TFET）被认为是该器件发展的一大未来走向；后者多用于闪存 （U盘），优点是即使断电，其信息也不会丢失，但在写入和擦除数据时，需要较高的操作电压 （20 V左右），时间也较长 （微秒级）。随着器件尺寸越来越接近其物理极限，业界越来越需要基于新结构和新原理的晶体管。

张卫带领的科研团队尝试把一个TFET和浮栅器件结合起来，构成了一种全新的 “半浮栅”结构的器件，被称为半浮栅晶体管，它在降低功耗和提高性能这两方面都取得了很大的突破。浮栅晶体管，是将电子隧穿过高势垒 （接近8.9 eV）的二氧化硅绝缘介质；而半浮栅晶体管，则是将电子隧穿过低势垒 （1.1 eV）的硅材料，其隧穿势垒大大地降低。 “隧穿”是量子世界的常见现象，可以 “魔术般”地通过固体，好像拥有了穿墙术。 “隧穿”势垒越低，相当于墙就越薄，器件隧穿所需的电压也就越低。这种结构可以让半浮栅晶体管的数据擦写更容易、迅速，整个过程都可以在低电压条件下完成，为实现芯片低功耗运行创造了条件。一个这样的晶体管，功效和多个MOSFET相当。

作为一种新型的基础器件，半浮栅晶体管可应用于不同的集成电路，并将对芯片设计与制造产生重要的推动作用。

a）它可以取代一部分静态随机存储器 （SRAM）。SRAM是一种具有高速静态存取功能的存储器，多应用于中央处理器 （CPU）内的高速缓存，对处理器性能起到决定性的作用。传统的SRAM需用6个MOSFET晶体管才能构成一个存储单元，集成度较低，占用面积大。半浮栅晶体管则可以单个晶体管构成一个存储单元，存储速度接近由6个MOSFET晶体管构成的存储单元。因此，由半浮栅晶体管构成的SRAM单元面积更小，密度大约可提高10倍。

b）半浮栅晶体管还可以应用于动态随机存储器（DRAM）领域。DRAM广泛地应用于计算机内存，其基本单元为一个晶体管加一个电容的结构。由于电容需要保持一定的电荷量来有效地存储信息，无法像MOSFET那样持续地缩小尺寸。业界通常通过挖 “深槽”等手段，制造特殊结构的电容来缩小其占用的面积，但随着存储密度的提升，电容加工的技术难度和成本大幅度地提高。因此，业界一直在寻找可以用于制造DRAM的无电容器件技术，而半浮栅晶体管构成的DRAM无需电容器便可实现传统DRAM的全部功能，不但成本大幅地降低，而且集成度更高，读写速度更快。

c）它还可以应用于主动式图像传感器芯片（APS）。传统的图像传感器芯片需要用3个晶体管和一个感光二极管构成一个感光单元，而由单个半浮栅晶体管构成的新型图像传感器单元在面积上可以缩小20%以上。感光单元的密度提高，使图像传感器芯片的分辨率和灵敏度得到提升。

据估计，半浮栅晶体管作为一种基础电子器件，在存储和图像传感等领域的潜在应用市场规模达到300亿美元以上。而且，由于半浮栅晶体管是一种基于标准硅CMOS工艺的微电子器件，兼容现有的主流硅集成电路制造工艺，因此具有很好的产业化基础。