半浮栅晶体管

半浮栅晶体管简介半浮栅晶体管（SFGT）[1]是介于普通MOSFET晶体管和浮栅晶体管之间的晶体管，它的英文名字是“SFGT，Semi-Floating-GateTransistor”，简称SFGT.性能和结构半浮栅晶体管（SFGT）：结构巧性能高金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）是目前集成电路中最基本的器件，工艺的进步让MOSFET晶体管的尺寸不断缩小，而其功率密度也一直在升高。我们常用的U盘等闪存芯片则采用了另一种称为浮栅晶体管的器件。闪存又称“非挥发性存储器”。所谓“非挥发”，就是在芯片没有供电的情况下，信息仍被保存不会丢失。这种器件在写入和擦除时都需要有电流通过一层接近5纳米厚的氧化硅介质，因此需要较高的操作电压（接近20伏）和较长的时间（微秒级）。科学家们把一个隧穿场效应晶体管（TFET）和浮栅器件结合起来，构成了一种全新的“半浮栅”结构的器件，称为半浮栅晶体管。“硅基TFET晶体管使用了硅体内的量子隧穿效应，而传统的浮栅晶体管的擦写操作则是使电子隧穿过绝缘介质。”“隧穿”是量子世界的常见现象，可以“魔术般”地通过固体，好像拥有了穿墙术。“隧穿”势垒越低，相当于“墙”就越薄，器件隧穿所需电压也就越低。把TFET和浮栅相结合，半浮栅晶体管（SFGT）的“数据”擦写更加容易、迅速。“TFET为浮栅充放电、完成‘数据擦写’的操作，‘半浮栅’则实现“数据存放和读出”的功能。”传统浮栅晶体管是将电子隧穿过高势垒（禁带宽度接近8.9eV）的二氧化硅绝缘介质，而半浮栅晶体管（SFGT）的隧穿发生在禁带宽度仅1.1eV的硅材料内，隧穿势垒大为降低。打个比方，原来在浮栅晶体管中，电子需要穿过的是一堵“钢筋水泥墙”，而在半浮栅晶体管中只需要穿过“木板墙”，“穿墙”的难度和所需的电压得以大幅降低，而速度则明显提升。这种结构设计可以让半浮栅晶体管的数据擦写更加容易、迅速，整个过程都可以在低电压条件下完成，为实现芯片低功耗运行创造了条件。“半浮栅”晶体管还具备多项应用功能：可以广泛应用于计算机内存，不但成本大幅降低，而且集成度更高，读写速度更快；还可以应用于主动式图像传感器芯片（APS），感光单元密度提高，使图像传感器芯片的分辨率和灵敏度得到提升。应用领域作为一种新型的基础器件，半浮栅晶体管（SFGT）可应用于不同的集成电路。首先，它可以取代一部分的SRAM，即静态随机存储器。SRAM是一种具有高速静态存取功能的存储器，多应用于中央处理器(CPU)内的高速缓存，对处理器性能起到决定性的作用。传统SRAM需用6个MOSFET晶体管才能构成一个存储单元，集成度较低，占用面积大。半浮栅晶体管则可以单个晶体管构成一个存储单元，存储速度接近由6个晶体管构成的SRAM存储单元。因此，由半浮栅晶体管（SFGT）构成的SRAM单元面积更小，密度相比传统SRAM大约可提高10倍。显然如果在同等工艺尺寸下，半浮栅晶体管（SFGT）构成的SRAM具有高密度和低功耗的明显优势。其次，半浮栅晶体管（SFGT）还可以应用于DRAM领域。DRAM（DynamicRandomAccessMemory），即动态随机存储器，广泛应用于计算机内存。其基本单元由1T1C构成，也就是一个晶体管加一个电容的结构。由于其电容需要保持一定电荷量来有效地存储信息，无法像MOSFET那样持续缩小尺寸。业界通常通过挖“深槽”等手段制造特殊结构的电容来缩小其占用的面积，但随着存储密度提升，电容加工的技术难度和成本大幅度提高。因此，业界一直在寻找可以用于制造DRAM的无电容器件技术，而半浮栅晶体管（SFGT）构成的DRAM无需电容器便可实现传统DRAM全部功能，不但成本大幅降低，而且集成度更高，读写速度更快。半浮栅晶体管（SFGT）不但应用于存储器，它还可以应用于主动式图像传感器芯片(APS)。传统的图像传感器芯片需要用三个晶体管和一个感光二极管构成一个感光单元，而由单个半浮栅晶体管构成的新型图像传感器单元在面积上能缩小20%以上。感光单元密度提高，使图像传感器芯片的分辨率和灵敏度得到提升。制造工艺和产业发展制造工艺不同于实验室研究的基于碳纳米管、石墨烯等新材料的晶体管，半浮栅晶体管（SFGT）是一种基于标准硅CMOS工艺的微电子器件。SFGT原型器件首先在复旦大学的实验室中研制成功，而与标准CMOS工艺兼容的SFGT器件也已在国内生产线上成功制造出来。半浮栅晶体管（SFGT）兼容现有主流硅集成电路制造工艺，具有很好的产业化基础。半浮栅晶体管（SFGT）并不需要对现有集成电路制造工艺进行很大的改动。复旦科学家研发半浮栅晶体管，MosFET晶体管和浮栅晶体管广泛应用于当前主流芯片之中。尽管制造工艺进步让MosFET晶体管可以缩小尺寸，但是其功率密度却一直无法降低。这导致了该器件的功耗非常高。“举个例子，如果CPU上面不带电风扇的话，可能你一开电脑，芯片就会‘唰’一下烧起来，”复旦大学微电子学院副院长张卫介绍说，“MosFET晶体管集成电路如果进一步做小到十几纳米左右，那么它的功耗将巨大得不可接受”。另一种常见的集成电路器件是浮栅晶体管，多应用于闪存（U盘），其特点是即使断电，信息也不会丢失，但是在写入和擦除数据时，该晶体管都会放出大量的热量。这和它的工作原理有关：传统浮栅晶体管利用“栅”结构来调节电场、实现“存储”功能，利用高电压写入“数据”，而“擦除”则要用更高的电压。此外，受“栅”结构工作原理的影响，由浮栅晶体管制成的集成电路在速度上也受到了较大的限制。而半浮栅晶体管则在降低功耗和提高性能这两方面都取得了很大的突破。通过将栅结构和突破性的隧穿（TEFT）晶体管结构相结合，半浮栅晶体管极大地降低了自身的能耗；拥有量子隧穿结构（TFET）的半浮栅晶体管比传统MosFET晶体管体积更小、集成度更高，即使把集成电路做到十几纳米，半浮栅晶体管组成的器件依然能保持很低的能耗。张卫透露，此前，类似提升内存及存贮空间、提升图像分辨率等电子产业核心技术，均被美光、三星、英特尔、索尼等国外公司控制。在这些领域，中国大陆具有自主知识产权且可应用的产品几乎没有。过去，国外集成电路厂商常会以高价将落后一到两代的技术淘汰给中国企业。“国外公司在市场上推出65纳米芯片后，便把90纳米芯片制造工艺卖给中国企业。”这是张卫团队成员在国外从事科研时遇到的亲身经历。张卫表示，半浮栅晶体管的发明及产业化推广，实际上是通过新型基础器件的技术优势来弥补我国IC企业在核心技术上的差距。如果将新器件技术转化为生产力，中国集成电路企业可以在某些应用领域大幅减少对国外技术的依赖，并形成具有极强竞争力的自主核心技术。