中國半浮柵晶體管橫空出世 應避免被國外趕超

　　8月9日出版的《科學》(Science)雜志刊發(fā)了復旦大學微電子學院張衛(wèi)課題組最新科研論文，該課題組提出并實現(xiàn)了一種新型的微電子基礎器件：半浮柵晶體管(SFGT，Semi-Floating-GateTransistor)。這是我國科學家在該頂級學術期刊上發(fā)表的第一篇微電子器件領域的原創(chuàng)性成果，標志著我國在全球尖端集成電路技術創(chuàng)新鏈中獲得重大突破。

　　集成電路產(chǎn)業(yè)獲突破

　　經(jīng)過十余年的發(fā)展，當前我國集成電路產(chǎn)業(yè)銷售收入從2001年的199億元，提高到2011年的1572億元，占全球集成電路市場的比重提高到9.8%、銷售收入年均增長23.7%。

　　但是必須正視的是，我國集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展依然存在不少問題。工業(yè)和信息化部電子信息司司長丁文武曾撰文指出，我國產(chǎn)品自主供應不足，持續(xù)創(chuàng)新能力亟待加強，產(chǎn)業(yè)對外依存度高。

　　盡管我國在自主知識產(chǎn)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，集成電路產(chǎn)業(yè)也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。為此，作為一種新型的微電子基礎器件，復旦大學半浮柵晶體管的橫空出世將有助于我國掌握集成電路的核心技術，從而在國際芯片設計與制造上逐漸獲得更多話語權。

　　結構巧、性能高

　　據(jù)悉，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晶體管的尺寸正在不斷縮小，而其功率密度也一直在升高。

　　人們常用的U盤等閃存芯片則采用了另一種稱為浮柵晶體管的器件。閃存又稱為“非揮發(fā)性存儲器”——所謂“非揮發(fā)”，即指芯片在沒有供電的情況下，信息仍能被保存而不會丟失。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)。

　　復旦大學的科研人員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，被稱為“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(tǒng)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、復旦大學教授王鵬飛對記者解釋說。

　　“隧穿”是量子世界的常見現(xiàn)象，可以“魔術般”地通過固體，類似于“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，半浮柵晶體管的“數(shù)據(jù)”擦寫便更加容易與迅速。

　　“TFET為浮柵充放電、完成‘數(shù)據(jù)擦寫’的操作，‘半浮柵’則實現(xiàn)‘數(shù)據(jù)存放和讀出’的功能。”張衛(wèi)解釋說，傳統(tǒng)浮柵晶體管是將電子隧穿過高勢壘(禁帶寬度接近8.9eV)的二氧化硅絕緣介質，而半浮柵晶體管的隧穿發(fā)生在禁帶寬度僅1.1eV的硅材料內，隧穿勢壘大為降低。

　　潛在市場巨大

　　作為一種新型的基礎器件，半浮柵晶體管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(tài)隨機存儲器。其次，半浮柵晶體管還可以應用于DRAM，即動態(tài)隨機存儲器領域。半浮柵晶體管不但應用于存儲器，它還可以應用于主動式圖像傳感器芯片(APS)。由單個半浮柵晶體管構成的新型圖像傳感器單元在面積上能縮小20%以上，感光單元密度提高，使圖像傳感器芯片的分辨率和靈敏度得到提升。

　　目前，SRAM、DRAM和圖像傳感器技術的核心專利基本上由美光、三星、Intel、索尼等國外公司控制。

　　“在這些領域，中國大陸具有自主知識產(chǎn)權且可應用的產(chǎn)品幾乎沒有。”張衛(wèi)說。

　　據(jù)了解，半浮柵晶體管在存儲和圖像傳感等領域的潛在應用市場規(guī)?？蛇_到300億美元以上。而且，半浮柵晶體管兼容現(xiàn)有主流硅集成電路制造工藝，并不需要對現(xiàn)有集成電路制造工藝進行很大的改動，具有很好的產(chǎn)業(yè)化基礎。

　　據(jù)張衛(wèi)透露，目前針對半浮柵晶體管的優(yōu)化和電路設計工作已經(jīng)開始。對于產(chǎn)業(yè)化進程，他表示，希望能夠有設計和制造伙伴與科研團隊進行對接，向產(chǎn)業(yè)化推進。

　　不過，擁有核心專利并不等于擁有未來的廣闊市場。盡管半浮柵晶體管應用市場廣闊，但前提是必須進行核心專利的優(yōu)化布局。

　　張衛(wèi)表示，希望能布局得更快一點，避免被國外的大公司趕超。實際上，國外大公司擁有資金和人才優(yōu)勢，可以大規(guī)模申請專利，與之對比，張衛(wèi)課題組明顯“勢單力薄”。他表示，目前的半浮柵晶體管是在較大工藝技術節(jié)點上實現(xiàn)的，主要是為了驗證器件性能。未來研究工作主要集中于器件性能的優(yōu)化和進一步提升，相關應用的電路設計和關鍵IP技術，以及技術節(jié)點縮小帶來的一系列工藝問題等。