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?jī)赡昃蜁?huì)增加一倍，這就是所謂的摩爾定律。多年來(lái)這個(gè)定律一直在發(fā)揮作用。第一個(gè)集成電路（由德州儀器的杰克•基爾比發(fā)明，見(jiàn)圖）還只是一個(gè)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(lái)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(gè)定律的時(shí)候起，人類就進(jìn)入了一個(gè)不可思議的信息技術(shù)時(shí)代。本來(lái)一個(gè)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(duì)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(jiàn)圖表）。技術(shù)發(fā)展勢(shì)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(huì)與幾個(gè)單晶硅原子大小相當(dāng)。

說(shuō)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(gè)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(huì)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(lái)，摩爾的預(yù)言在未來(lái)的一段時(shí)間里還將繼續(xù)有效。

晶體管實(shí)際上是一個(gè)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(guò)電壓的變化控制通道的開(kāi)關(guān)）。在傳統(tǒng)的晶體管中，這些組件都分布在同一個(gè)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(gè)從母體芯片上伸出來(lái)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(guò)的電流就越大。

五月份，美國(guó)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(duì)這種營(yíng)銷時(shí)冠以“三柵極”的技術(shù)設(shè)備進(jìn)行商業(yè)性開(kāi)發(fā)。公司預(yù)計(jì)，新晶體管將于今年晚些時(shí)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(gè)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(guó)公司Globalfoundries、英國(guó)公司ARM在內(nèi)的絕緣硅聯(lián)合會(huì)，試圖把提高平板晶體管作為他們的一個(gè)替代方案，該聯(lián)合會(huì)的技術(shù)是把在一個(gè)純硅片薄層內(nèi)部制作晶體管，這層純硅下面是一個(gè)絕緣層，再下面是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)晶片，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)晶片被用作基底，用來(lái)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(chǎng)能夠透過(guò)整個(gè)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(huì)必須面對(duì)晶體管尺寸不斷縮小而產(chǎn)生的第二個(gè)問(wèn)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(gè)量掌握得不好，晶體管的正常運(yùn)行就會(huì)受到影響。但制造過(guò)程中的偏差使得這種要求很難達(dá)到。絕緣硅聯(lián)合會(huì)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(lái)制造晶體管的溝道。但這要求硅層厚度不能超過(guò)5納米。而且在整個(gè)晶片上這個(gè)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(gè)心平氣和的旁觀者）認(rèn)為，如此精準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)，肯定會(huì)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(jià)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(huì)要求的超薄溝道，他們的過(guò)人之處在于，在溝道的下面增加一個(gè)柵極。兩個(gè)柵極共同作用就能夠控制沒(méi)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(méi)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(lái)幾年內(nèi)還會(huì)繼續(xù)發(fā)揮作用。數(shù)百位專家每年都要對(duì)半導(dǎo)體國(guó)際技術(shù)路線圖進(jìn)行更新。他們預(yù)測(cè)，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(gè)概念上的飛躍。有幸的是，已經(jīng)有了幾個(gè)這樣的選擇。

一個(gè)最有前景的方法去年已由考林吉帶領(lǐng)的愛(ài)爾蘭廷德?tīng)枃?guó)家研究所描繪出來(lái)。他們發(fā)表一篇論文，宣布他們已經(jīng)創(chuàng)造出無(wú)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(gè)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(gè)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(dòng)的影響?？剂旨┦康脑O(shè)計(jì)——類似英特爾的三柵極，在一個(gè)單獨(dú)的、超薄的硅導(dǎo)線周圍環(huán)繞一個(gè)三維柵極——為避免這種情況，整個(gè)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(lái)制造。設(shè)計(jì)中含有一個(gè)極薄的溝道，就像閥門一樣，斷路時(shí)載流子（比如，自由電子或空穴）全部消失，通路時(shí)充滿這種載流子。它的尺寸同樣應(yīng)該可以縮小。廷德?tīng)栄芯吭旱难芯咳藛T去年報(bào)告說(shuō)，通過(guò)對(duì)這種原子排列的無(wú)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(zhǎng)度只有3.1納米。

這種柵極長(zhǎng)度會(huì)使摩爾定律在未來(lái)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(gè)能量級(jí)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(shí)間。

這也許是一個(gè)不錯(cuò)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(gè)即興之舉。當(dāng)摩爾博士宣布這一定律時(shí)，他本以為定律可能會(huì)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(zhǎng)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(chǎng)引人入勝的競(jìng)賽。

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