非矽電晶體：新材料能否派上大用場

2020-12-24 光明網

近年來，非矽計算機晶體材料研究不斷突破，甚至被認為是為計算機領域帶來了新的希望，可與矽（Si）技術相競爭。專家認為，儘管如此，其對矽主導的集成電路晶片技術，尚無法形成實質性改變。

■記者 秦志偉

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表文章稱，用納米級砷化鎵銦（InGaAs）可以構建集成度更高、功耗更低的電晶體。InGaAs電晶體技術被認為是為計算機領域帶來了新的希望，甚至可與矽（Si）技術相競爭。

中國科學院上海技術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據。「該團隊發現了9納米（nm） InGaAsFinFET結構電晶體的彈道遷移率特性，是InGaAs電晶體技術上的一個突破。」他在接受《中國科學報》採訪時表示，但其對以Si主導的集成電路晶片技術，尚無法形成實質性改變。

「矽基電晶體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。

電晶體尺寸不斷縮小

人類使用的電腦、智慧型手機、智能硬體等，都離不開電晶體。作為人類史上最偉大的發明之一，電晶體具有檢波、整流、穩壓、信號調製等多種功能，通常用作放大器和電控開關。但在集成電路技術出現後，大量電晶體可以封裝在一片指甲蓋大小的晶片內。

摩爾定律顯示，當價格不變時，集成電路上可容納的電晶體數量，每隔約18個月會增加一倍，性能也將提升一倍。

隨著半導體技術的發展，電晶體尺寸不斷縮小，晶片製程不斷提高，從32nm到22nm、16nm、14nm、7nm，一直到5nm。不難看出，單顆晶片上可容納電晶體數量不斷增加，最先進的晶片上容納的電晶體數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·諾依曼計算架構也遇到「內存牆」（Memory Wall）問題。

傳統電晶體主要以Si材料製作而成。對於Si基電晶體而言，7nm堪稱物理極限。專家表示，一旦電晶體尺寸低於7nm，電子的行為將受限於量子的不確定性，電晶體中的電子容易產生隧穿效應，電晶體將變得不再可靠，晶片製造必將面臨巨大挑戰。

也就是說，雖然Si基半導體材料和電晶體框架的創新持續推進摩爾定律發展，但摩爾定律確實逐步趨近物理極限。

後摩爾時代將會是什麼樣的，正成為業界當下討論的焦點。「目前摩爾定律要想進一步延伸，主要是要解決集成度和能效的關係。」王建祿說。

他向《中國科學報》進一步解釋道，電晶體體積越來越小，種種物理極限制約著其進一步發展。比如當電晶體溝道區域長度足夠短的時候，量子穿隧效應就會發生，會導致漏電流增加，進而導致電晶體效能的下降。

尋找新材料替代Si，生產出尺寸更小、性能更佳的電晶體成為共識。例如，利用碳納米管和二氧化鉬、黑磷、石墨烯、硒化銦等材料製作電晶體，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》採訪時表示，隨著半導體技術不斷進步，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，可用於電子和光電子器件。以InGaAs製作的高速高靈敏的光探測器廣泛應用於光纖通信領域，其他重要應用還包括雷射器以及太陽能電池。

近年來，有關InGaAs電晶體的報導並不鮮見。例如，2012年MIT研究人員用InGaAs構建了當時最小的22nm節點場效應電晶體；2014年美國賓夕法尼亞州立大學研究人員用InGaAs納米線構建了彈道傳輸的納米線電晶體，並預期溝道的長度可達到14nm甚至更小；2015年，英特爾在國際固態電路會議上報導了基於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電晶體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，部分歸因於氧化物陷阱。

據稱，氧化物陷阱將會導致電子在試圖流過電晶體時被卡住。「在低頻下，納米級InGaAs電晶體的性能似乎退化了；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。」MIT團隊一位研究人員表示，「它們與矽技術相比是有競爭力的。」

在王建祿看來，解決氧化物陷阱問題只是技術層面的問題，任何材料與矽競爭，實際上最終都是產業生態的問題。他進一步解釋道，目前主流晶片產業的生產、製造等都主要以矽材料為基礎來構建。

「用InGaAs來做電晶體的溝道材料確實不是主流關注方向。」南京大學一位專家告訴《中國科學報》，即使在微觀電子輸運性質上獲得進展，考慮到矽的先進位程技術的發展，以及集成電路產業加工工藝對特定溝道材料的重資產投入，這種材料代替矽幾乎沒有可能。

最新晶片仍採用Si基技術

中國工程院院士鄭有炓曾在接受媒體採訪時表示，5nm晶片是一個重要階段，將會孕育出重大創新。

目前臺積電和三星的5nm技術節點仍然採用Si材料作為溝道材料，華為麒麟9000和蘋果A14的最新晶片技術採用的也是5nm節點Si基技術。

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

「InGaAs電晶體尚無法對Si基形成威脅。」王建祿再次強調道，矽鍺技術仍然可能是3nm技術節點優選材料。

來源： 《中國科學報》

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