堵住電流泄漏：摩爾定律在晶體管發(fā)展中繼續(xù)有效

受到物理限制，電子工程師必須構(gòu)想出更加精巧的晶體管

1965年，戈登•摩爾預(yù)言，在一定大小的芯片上所能容納的晶體管的數(shù)量每兩年就會增加一倍，這就是所謂的摩爾定律。多年來這個定律一直在發(fā)揮作用。第一個集成電路（由德州儀器的杰克•基爾比發(fā)明，見圖）還只是一個笨拙不堪的大家伙，而現(xiàn)在晶體管已需用納米（1米的十億分之一）來計(jì)量。人們以摩爾定律的發(fā)展速度創(chuàng)造了快速而智能化的計(jì)算機(jī)，圖案漂亮并將世界聯(lián)接在了一起。從摩爾博士創(chuàng)立這個定律的時候起，人類就進(jìn)入了一個不可思議的信息技術(shù)時代。本來一個不經(jīng)意的發(fā)現(xiàn)竟有如此強(qiáng)大的生命力。

其實(shí)它并不是一條真正的定律，而只是一種現(xiàn)象，一種對技術(shù)發(fā)展漫漫征程的描述，發(fā)展的每一步都包含著具體的技術(shù)變革（見圖表）。技術(shù)發(fā)展勢不可擋，已成預(yù)言般的信條。晶體管的每一次“縮身”，都是朝著它們的最小尺寸邁進(jìn)了一步。如果按此定律繼續(xù)發(fā)展，20年之內(nèi)，晶體管將會與幾個單晶硅原子大小相當(dāng)。

說得更精確一點(diǎn)，晶體管已經(jīng)很小很小，在這樣大小的空間中每個原子都變得舉足輕重。原子太少它們之間的絕緣性消失，或者因“量子隧穿”現(xiàn)象（一種電子自然消失、并在他處重現(xiàn)的現(xiàn)象）將電流泄漏到本不該流向的地方。不適當(dāng)種類的原子太多效果同樣不妙，這會影響晶體管的導(dǎo)電性。因此工程人員正在努力重新設(shè)計(jì)晶體管。這樣看來，摩爾的預(yù)言在未來的一段時間里還將繼續(xù)有效。

晶體管實(shí)際上是一個電子控制的轉(zhuǎn)換器，它由4部分組成：源極（電流從該極流入），漏極（電流從這里流出），（連接源極和漏極的）溝道以及柵極（通過電壓的變化控制通道的開關(guān)）。在傳統(tǒng)的晶體管中，這些組件都分布在同一個平面上。要防止漏電，一種思路就是把晶體管改為三維設(shè)計(jì)。

制造一個從母體芯片上伸出來的晶體管可以使許多組成原子的布置更加有效，特別是那些構(gòu)成了通道和柵極的原子。將通道外伸、三面圍以柵極原子，這樣就能夠增加?xùn)艠O的表面積，更好地控制通道，并減少泄漏。在導(dǎo)通狀態(tài)下，晶體管柵極的功能越是優(yōu)良，通過的電流就越大。

五月份，美國著名的芯片巨頭英特爾（摩爾博士也是該公司創(chuàng)建人之一）宣布一項(xiàng)計(jì)劃，對這種營銷時冠以“三柵極”的技術(shù)設(shè)備進(jìn)行商業(yè)性開發(fā)。公司預(yù)計(jì)，新晶體管將于今年晚些時候面世，這種晶體管比現(xiàn)有的晶體管省電一半，特別適合于筆記本電腦使用，畢竟，電池壽命是筆記本電腦的一大賣點(diǎn)。

全面改用三維模式，這在一個成熟的行業(yè)內(nèi)很難推廣，畢竟他們的二維模式已經(jīng)成熟。包括美國公司Globalfoundries、英國公司ARM在內(nèi)的絕緣硅聯(lián)合會，試圖把提高平板晶體管作為他們的一個替代方案，該聯(lián)合會的技術(shù)是把在一個純硅片薄層內(nèi)部制作晶體管，這層純硅下面是一個絕緣層，再下面是一個標(biāo)準(zhǔn)晶片，這個標(biāo)準(zhǔn)晶片被用作基底，用來安放晶體管。這種方法要把晶體管的溝道做得足夠薄，使柵極產(chǎn)生的電磁場能夠透過整個溝道，提高柵極所能發(fā)揮的最大控制力。但這種方法迫使絕緣硅聯(lián)合會必須面對晶體管尺寸不斷縮小而產(chǎn)生的第二個問題：偏離正常位置的原子要么太多，要么太少。

為了改善電子性能，制造晶體管所用的硅材料中常需摻入其他元素。最新的晶體管尺寸非常小，在其溝道中摻雜只要往硅中注入少量雜質(zhì)原子，如果這個量掌握得不好，晶體管的正常運(yùn)行就會受到影響。但制造過程中的偏差使得這種要求很難達(dá)到。絕緣硅聯(lián)合會希望使用的超薄溝道摻入雜質(zhì)的工藝極其困難，因此，他們決定不向硅中摻入雜質(zhì)，而用純凈硅來制造晶體管的溝道。但這要求硅層厚度不能超過5納米。而且在整個晶片上這個厚度幾乎要保持一致，英特爾公司（應(yīng)當(dāng)承認(rèn)，它并不是一個心平氣和的旁觀者）認(rèn)為，如此精準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)，肯定會增加晶體管的制造成本。

SuVolta是硅谷的一家小公司，他們提出了另一種方法。他們計(jì)劃制造的平板晶體管通道也不摻入雜質(zhì)。但這家公司打算使用價格低廉的傳統(tǒng)硅晶片，而不必改變晶片的成分，不必制造絕緣硅聯(lián)合會要求的超薄溝道，他們的過人之處在于，在溝道的下面增加一個柵極。兩個柵極共同作用就能夠控制沒有添加雜質(zhì)并且厚度不夠小的溝道。就這樣，功能更好而能耗更低的晶體管就產(chǎn)生了，該公司表示，它的能耗減少到只有傳統(tǒng)類型的晶體管能耗的一半，而性能上并沒有損失。SuVolta此舉激起了日本電子巨頭富士通的極大興趣，目前他們已擁有這項(xiàng)技術(shù)的生產(chǎn)許可。

還有多少發(fā)展空間

所有這些方法都意味著摩爾定律至少在未來幾年內(nèi)還會繼續(xù)發(fā)揮作用。數(shù)百位專家每年都要對半導(dǎo)體國際技術(shù)路線圖進(jìn)行更新。他們預(yù)測，標(biāo)準(zhǔn)晶體管的橫向尺寸到2013年將減小到16納米（現(xiàn)在是32納米），到2015年還將減小到11納米。要想進(jìn)一步縮小就需要一個概念上的飛躍。有幸的是，已經(jīng)有了幾個這樣的選擇。

一個最有前景的方法去年已由考林吉帶領(lǐng)的愛爾蘭廷德爾國家研究所描繪出來。他們發(fā)表一篇論文，宣布他們已經(jīng)創(chuàng)造出無接晶體管。這一方法早在1925年就由一位名叫朱利葉斯•利林菲爾德的物理學(xué)家獲得專利，但直到現(xiàn)在，它的制造依然是個難題。

晶體管連接處的兩面是摻入了導(dǎo)電電子（因?yàn)殡娮訋в胸?fù)（negative）電荷，因此被稱為n型材料）的硅片，而p型區(qū)域的晶格中摻入了帶有正電的空穴，這些空穴由電子的游離而產(chǎn)生。還有一些三極管，源極和漏極都是p型，溝道是n型。在其他情況下，情況正好相反。在n型和p型的結(jié)合處，硅的作用就像一個閥門，防止電流流向相反的方向。

然而，晶體管越小，制造PN結(jié)的難度就越大，這也是受到了摻入元素濃度波動的影響?？剂旨┦康脑O(shè)計(jì)——類似英特爾的三柵極，在一個單獨(dú)的、超薄的硅導(dǎo)線周圍環(huán)繞一個三維柵極——為避免這種情況，整個晶體管全部采用一種比常規(guī)平板晶體管所用的半導(dǎo)體摻入元素濃度更大的半導(dǎo)體來制造。設(shè)計(jì)中含有一個極薄的溝道，就像閥門一樣，斷路時載流子（比如，自由電子或空穴）全部消失，通路時充滿這種載流子。它的尺寸同樣應(yīng)該可以縮小。廷德爾研究院的研究人員去年報(bào)告說，通過對這種原子排列的無接晶體管進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬顯示他們的運(yùn)行狀況完好，而且它的柵極長度只有3.1納米。

這種柵極長度會使摩爾定律在未來幾年將繼續(xù)發(fā)揮作用，此后，摩爾定律要想繼續(xù)發(fā)揮作用，就要求有更多的創(chuàng)新思維。比如，大量的學(xué)術(shù)人員和工程人員正在思考，如何制造出這樣一種晶體管，使得量子溝道成為一種特色，而不是一種缺陷。根據(jù)量子理論，電子只有在某個能量級才能獲得，這就意味著利用隧穿效應(yīng)的晶體管可能直接從從弱電流轉(zhuǎn)至強(qiáng)電流，并且不要預(yù)熱時間。

這也許是一個不錯的想法。晶體管的大小受到單原子大小的局限，在這種情況下，還不知這是否就是工程人員最后一個即興之舉。當(dāng)摩爾博士宣布這一定律時，他本以為定律可能會在10年內(nèi)有效。具有不可抗拒力量的人類創(chuàng)造力確保摩爾定律的壽命比預(yù)想的大大延長了，但這種力量現(xiàn)在正面臨著原子物理學(xué)難以逾越的障礙。這真是一場引人入勝的競賽。

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