取代硅晶體管？新材料能否派上大用場

最近，美國麻省理工學院（MIT）研究團隊在IEEE國際電子元件會議上發(fā)表文章稱，用納米級砷化鎵銦（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)被認為是為計算機領(lǐng)域帶來了新的希望，甚至可與硅（Si）技術(shù)相競爭。

中國科學院上海技術(shù)物理研究所研究員王建祿認真研究了MIT團隊這項工作，尤其是該項工作的原始數(shù)據(jù)。

“該團隊發(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)上的一個突破?！彼诮邮堋吨袊茖W報》采訪時表示，但其對以Si主導的集成電路芯片技術(shù)，尚無法形成實質(zhì)性改變。

“硅基晶體管在可預見的未來都將是不可替代的。”中國科學院半導體研究所研究員李晉閩補充道。

晶體管尺寸不斷縮小

人類使用的電腦、智能手機、智能硬件等，都離不開晶體管。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、信號調(diào)制等多種功能，通常用作放大器和電控開關(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，當價格不變時，集成電路上可容納的晶體管數(shù)量，每隔約18個月會增加一倍，性能也將提升一倍。

隨著半導體技術(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，最先進的芯片上容納的晶體管數(shù)量已達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·諾依曼計算架構(gòu)也遇到“內(nèi)存墻”（Memory Wall）問題。

傳統(tǒng)晶體管主要以Si材料制作而成。對于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，雖然Si基半導體材料和晶體管框架的創(chuàng)新持續(xù)推進摩爾定律發(fā)展，但摩爾定律確實逐步趨近物理極限。

后摩爾時代將會是什么樣的，正成為業(yè)界當下討論的焦點?！澳壳澳柖梢脒M一步延伸，主要是要解決集成度和能效的關(guān)系。”王建祿說。

他向《中國科學報》進一步解釋道，晶體管體積越來越小，種種物理極限制約著其進一步發(fā)展。比如當晶體管溝道區(qū)域長度足夠短的時候，量子穿隧效應(yīng)就會發(fā)生，會導致漏電流增加，進而導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。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驗室實驗階段。

InGaAs是一種潛在候選材料

李晉閩在接受《中國科學報》采訪時表示，隨著半導體技術(shù)不斷進步，化合物半導體的比例會越來越大。

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這類半導體是InAs半導體和GaAs半導體的三元合金，是III-V族化合物半導體的典型代表，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能電池。

近年來，有關(guān)InGaAs晶體管的報道并不鮮見。

例如，2012年MIT研究人員用InGaAs構(gòu)建了當時最小的22nm節(jié)點場效應(yīng)晶體管；

2014年美國賓夕法尼亞州立大學研究人員用InGaAs納米線構(gòu)建了彈道傳輸?shù)募{米線晶體管，并預期溝道的長度可達到14nm甚至更小；

2015年，英特爾在國際固態(tài)電路會議上報道了基于7nm InGaAs的互補金屬有氧化物半導體（CMOS）工藝。

過去，研究人員認為InGaAs晶體管的性能會在小尺度下退化。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，氧化物陷阱將會導致電子在試圖流過晶體管時被卡住。

“在低頻下，納米級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，因為氧化物捕獲不再是障礙。當我們以很高的頻率操作這些器件時，它們的性能確實很好?！盡IT團隊一位研究人員表示，“它們與硅技術(shù)相比是有競爭力的?！?/span>

在王建祿看來，解決氧化物陷阱問題只是技術(shù)層面的問題，任何材料與硅競爭，實際上最終都是產(chǎn)業(yè)生態(tài)的問題。他進一步解釋道，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)來構(gòu)建。

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

最新芯片仍采用Si基技術(shù)

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

目前臺積電和三星的5nm技術(shù)節(jié)點仍然采用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Si基技術(shù)。

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

“InGaAs晶體管尚無法對Si基形成威脅?！蓖踅ǖ撛俅螐娬{(diào)道，硅鍺技術(shù)仍然可能是3nm技術(shù)節(jié)點優(yōu)選材料。