北京時間2013年8月9日出版的最新一期《科學》雜志（Science）刊發了復旦大學微電子學院張衛團隊最新科研論文，該團隊提出并實現了一種新型的微電子基礎器件：半浮柵晶體管（SFGT，Semi-Floating-Gate Transistor）。這是我國科學家在該頂級學術期刊上發表的第一篇微電子器件領域的原創性成果。

　　據悉，當代集成電路科技的發展主要是基于摩爾定律，該定律是由英特爾公司創始人之一戈登?摩爾提出的：芯片上的晶體管特征尺寸在不斷地縮小，使得芯片上的晶體管數量每隔18個月便會增加一倍。

　　目前，集成電路的量產技術已發展到了22納米技術節點，盡管我國在自主知識產權集成電路技術上取得了長足進步，但集成電路的核心技術基本上依然由國外公司擁有。我國集成電路產業主要依靠引進和吸收國外成熟的技術，在微電子核心器件及集成工藝上缺乏核心技術。半浮柵晶體管（SFGT）作為一種新型的微電子基礎器件，它的成功研制將有助于我國掌握集成電路的核心技術，從而在芯片設計與制造上逐漸獲得更多話語權。

微電子學院實驗室檢測臺

　　半浮柵晶體管（SFGT）：結構巧 性能高

　　金屬-氧化物-半導體場效應晶體管（MOSFET）是目前集成電路中最基本的器件，工藝的進步讓MOSFET晶體管的尺寸不斷縮小，而其功率密度也一直在升高。我們常用的U盤等閃存芯片則采用了另一種稱為浮柵晶體管的器件。閃存又稱“非揮發性存儲器”。所謂“非揮發”，就是在芯片沒有供電的情況下，信息仍被保存不會丟失。這種器件在寫入和擦除時都需要有電流通過一層接近5納米厚的氧化硅介質，因此需要較高的操作電壓（接近20伏）和較長的時間（微秒級）。復旦大學的科學家們把一個隧穿場效應晶體管（TFET）和浮柵器件結合起來，構成了一種全新的“半浮柵”結構的器件，稱為半浮柵晶體管。

　　“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操作則是使電子隧穿過絕緣介質。”論文第一作者王鵬飛教授解釋說。“隧穿”是量子世界的常見現象，可以“魔術般”地通過固體，好像擁有了穿墻術。“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（SFGT）的“數據”擦寫更加容易、迅速。“TFET為浮柵充放電、完成‘數據擦寫’的操作，‘半浮柵’則實現“數據存放和讀出”的功能。”張衛解釋說，傳統浮柵晶體管是將電子隧穿過高勢壘（禁帶寬度接近8.9 eV）的二氧化硅絕緣介質，而半浮柵晶體管（SFGT）的隧穿發生在禁帶寬度僅1.1 eV的硅材料內，隧穿勢壘大為降低。打個比方，原來在浮柵晶體管中，電子需要穿過的是一堵“鋼筋水泥墻”，而在半浮柵晶體管中只需要穿過“木板墻”，“穿墻”的難度和所需的電壓得以大幅降低，而速度則明顯提升。這種結構設計可以讓半浮柵晶體管的數據擦寫更加容易、迅速，整個過程都可以在低電壓條件下完成，為實現芯片低功耗運行創造了條件。

　　新型晶體管可在三大領域應用  擁有巨大的潛在市場

　　作為一種新型的基礎器件，半浮柵晶體管（SFGT）可應用于不同的集成電路。首先，它可以取代一部分的SRAM，即靜態隨機存儲器。SRAM是一種具有高速靜態存取功能的存儲器，多應用于中央處理器(CPU)內的高速緩存，對處理器性能起到決定性的作用。傳統SRAM需用6個MOSFET晶體管才能構成一個存儲單元，集成度較低，占用面積大。半浮柵晶體管則可以單個晶體管構成一個存儲單元，存儲速度接近由6個晶體管構成的SRAM存儲單元。因此，由半浮柵晶體管（SFGT）構成的SRAM單元面積更小，密度相比傳統SRAM大約可提高10倍。顯然如果在同等工藝尺寸下，半浮柵晶體管（SFGT）構成的SRAM具有高密度和低功耗的明顯優勢。

　　其次，半浮柵晶體管（SFGT）還可以應用于DRAM領域。DRAM（Dynamic Random Access Memory），即動態隨機存儲器，廣泛應用于計算機內存。其基本單元由1T1C構成，也就是一個晶體管加一個電容的結構。由于其電容需要保持一定電荷量來有效地存儲信息，無法像MOSFET那樣持續縮小尺寸。業界通常通過挖“深槽”等手段制造特殊結構的電容來縮小其占用的面積，但隨著存儲密度提升，電容加工的技術難度和成本大幅度提高。因此，業界一直在尋找可以用于制造DRAM的無電容器件技術，而半浮柵晶體管（SFGT）構成的DRAM無需電容器便可實現傳統DRAM全部功能，不但成本大幅降低，而且集成度更高，讀寫速度更快。

　　點擊查看完整內容>>