取代硅晶體管？新材料能否派上大用場(chǎng)

最近，美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）研究團(tuán)隊(duì)在IEEE國(guó)際電子元件會(huì)議上發(fā)表文章稱，用納米級(jí)砷化鎵銦（InGaAs）可以構(gòu)建集成度更高、功耗更低的晶體管。InGaAs晶體管技術(shù)被認(rèn)為是為計(jì)算機(jī)領(lǐng)域帶來(lái)了新的希望，甚至可與硅（Si）技術(shù)相競(jìng)爭(zhēng)。

中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所研究員王建祿認(rèn)真研究了MIT團(tuán)隊(duì)這項(xiàng)工作，尤其是該項(xiàng)工作的原始數(shù)據(jù)。

“該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了9納米（nm） InGaAsFinFET結(jié)構(gòu)晶體管的彈道遷移率特性，是InGaAs晶體管技術(shù)上的一個(gè)突破?！彼诮邮堋吨袊?guó)科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)表示，但其對(duì)以Si主導(dǎo)的集成電路芯片技術(shù)，尚無(wú)法形成實(shí)質(zhì)性改變。

“硅基晶體管在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)都將是不可替代的?！敝袊?guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所研究員李晉閩補(bǔ)充道。

晶體管尺寸不斷縮小

人類使用的電腦、智能手機(jī)、智能硬件等，都離不開(kāi)晶體管。作為人類史上最偉大的發(fā)明之一，晶體管具有檢波、整流、穩(wěn)壓、信號(hào)調(diào)制等多種功能，通常用作放大器和電控開(kāi)關(guān)。但在集成電路技術(shù)出現(xiàn)后，大量晶體管可以封裝在一片指甲蓋大小的芯片內(nèi)。

摩爾定律顯示，當(dāng)價(jià)格不變時(shí)，集成電路上可容納的晶體管數(shù)量，每隔約18個(gè)月會(huì)增加一倍，性能也將提升一倍。

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，晶體管尺寸不斷縮小，芯片制程不斷提高，從32nm到22nm、16nm、14nm、7nm，一直到5nm。不難看出，單顆芯片上可容納晶體管數(shù)量不斷增加，最先進(jìn)的芯片上容納的晶體管數(shù)量已達(dá)到幾十億甚至上百億。

然而，輝煌了55年的摩爾定律逼近極限，馮·諾依曼計(jì)算架構(gòu)也遇到“內(nèi)存墻”（Memory Wall）問(wèn)題。

傳統(tǒng)晶體管主要以Si材料制作而成。對(duì)于Si基晶體管而言，7nm堪稱物理極限。

專家表示，一旦晶體管尺寸低于7nm，電子的行為將受限于量子的不確定性，晶體管中的電子容易產(chǎn)生隧穿效應(yīng)，晶體管將變得不再可靠，芯片制造必將面臨巨大挑戰(zhàn)。

也就是說(shuō)，雖然Si基半導(dǎo)體材料和晶體管框架的創(chuàng)新持續(xù)推進(jìn)摩爾定律發(fā)展，但摩爾定律確實(shí)逐步趨近物理極限。

后摩爾時(shí)代將會(huì)是什么樣的，正成為業(yè)界當(dāng)下討論的焦點(diǎn)。“目前摩爾定律要想進(jìn)一步延伸，主要是要解決集成度和能效的關(guān)系?！蓖踅ǖ撜f(shuō)。

他向《中國(guó)科學(xué)報(bào)》進(jìn)一步解釋道，晶體管體積越來(lái)越小，種種物理極限制約著其進(jìn)一步發(fā)展。比如當(dāng)晶體管溝道區(qū)域長(zhǎng)度足夠短的時(shí)候，量子穿隧效應(yīng)就會(huì)發(fā)生，會(huì)導(dǎo)致漏電流增加，進(jìn)而導(dǎo)致晶體管效能的下降。

尋找新材料替代Si，生產(chǎn)出尺寸更小、性能更佳的晶體管成為共識(shí)。例如，利用碳納米管和二氧化鉬、黑磷、石墨烯、硒化銦等材料制作晶體管，但這些解決方案仍處在實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)階段。

InGaAs是一種潛在候選材料

李晉閩在接受《中國(guó)科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)表示，隨著半導(dǎo)體技術(shù)不斷進(jìn)步，化合物半導(dǎo)體的比例會(huì)越來(lái)越大。

除了上述材料外，InGaAs被看成是一種潛在候選材料。王建祿介紹，InGaAs這類半導(dǎo)體是InAs半導(dǎo)體和GaAs半導(dǎo)體的三元合金，是III-V族化合物半導(dǎo)體的典型代表，可用于電子和光電子器件。

以InGaAs制作的高速高靈敏的光探測(cè)器廣泛應(yīng)用于光纖通信領(lǐng)域，其他重要應(yīng)用還包括激光器以及太陽(yáng)能電池。

近年來(lái)，有關(guān)InGaAs晶體管的報(bào)道并不鮮見(jiàn)。

例如，2012年MIT研究人員用InGaAs構(gòu)建了當(dāng)時(shí)最小的22nm節(jié)點(diǎn)場(chǎng)效應(yīng)晶體管；

2014年美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)研究人員用InGaAs納米線構(gòu)建了彈道傳輸?shù)募{米線晶體管，并預(yù)期溝道的長(zhǎng)度可達(dá)到14nm甚至更?。?/span>

2015年，英特爾在國(guó)際固態(tài)電路會(huì)議上報(bào)道了基于7nm InGaAs的互補(bǔ)金屬有氧化物半導(dǎo)體（CMOS）工藝。

過(guò)去，研究人員認(rèn)為InGaAs晶體管的性能會(huì)在小尺度下退化。但MIT最新研究稱，這種明顯退化不是InGaAs材料本身的固有特性，部分歸因于氧化物陷阱。

據(jù)稱，氧化物陷阱將會(huì)導(dǎo)致電子在試圖流過(guò)晶體管時(shí)被卡住。

“在低頻下，納米級(jí)InGaAs晶體管的性能似乎退化了；但在1 GHz或更高的頻率下，它們工作得很好，因?yàn)檠趸锊东@不再是障礙。當(dāng)我們以很高的頻率操作這些器件時(shí)，它們的性能確實(shí)很好。”MIT團(tuán)隊(duì)一位研究人員表示，“它們與硅技術(shù)相比是有競(jìng)爭(zhēng)力的?！?/span>

在王建祿看來(lái)，解決氧化物陷阱問(wèn)題只是技術(shù)層面的問(wèn)題，任何材料與硅競(jìng)爭(zhēng)，實(shí)際上最終都是產(chǎn)業(yè)生態(tài)的問(wèn)題。他進(jìn)一步解釋道，目前主流芯片產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)、制造等都主要以硅材料為基礎(chǔ)來(lái)構(gòu)建。

“用InGaAs來(lái)做晶體管的溝道材料確實(shí)不是主流關(guān)注方向?！蹦暇┐髮W(xué)一位專家告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，即使在微觀電子輸運(yùn)性質(zhì)上獲得進(jìn)展，考慮到硅的先進(jìn)制程技術(shù)的發(fā)展，以及集成電路產(chǎn)業(yè)加工工藝對(duì)特定溝道材料的重資產(chǎn)投入，這種材料代替硅幾乎沒(méi)有可能。

最新芯片仍采用Si基技術(shù)

中國(guó)工程院院士鄭有炓曾在接受媒體采訪時(shí)表示，5nm芯片是一個(gè)重要階段，將會(huì)孕育出重大創(chuàng)新。

目前臺(tái)積電和三星的5nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)仍然采用Si材料作為溝道材料，華為麒麟9000和蘋果A14的最新芯片技術(shù)采用的也是5nm節(jié)點(diǎn)Si基技術(shù)。

在王建祿看來(lái)，近期，工業(yè)界關(guān)注的材料體系仍將以Si、SiGe等傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料體系為主；未來(lái)隨著材料技術(shù)的突破，二維半導(dǎo)體、一維碳納米管等材料有可能進(jìn)入工業(yè)界的視線。

“InGaAs晶體管尚無(wú)法對(duì)Si基形成威脅?！蓖踅ǖ撛俅螐?qiáng)調(diào)道，硅鍺技術(shù)仍然可能是3nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)優(yōu)選材料。