最近，上海復(fù)旦大學(xué)微電子學(xué)院張衛(wèi)教授帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)，成功地研制出半浮柵晶體管 （SFGT： Semi-Floating-Gate Transistor），有望讓電子芯片的性能實(shí)現(xiàn)突破性的提升。該成果發(fā)表在2013年8月9日的《科學(xué)》雜志上，這也是我國(guó)科學(xué)家在 《科學(xué)》上發(fā)表的首篇有關(guān)微電子器件的研究論文。

金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 （MOSFET）和浮柵晶體管是廣泛應(yīng)用于當(dāng)前主流芯片的兩種器件。前者是目前集成電路中最基本的器件，工藝的進(jìn)步讓其尺寸不斷地縮小，功耗卻一直無(wú)法降低，低功率的隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管 （TFET）被認(rèn)為是該器件發(fā)展的一大未來(lái)走向；后者多用于閃存 （U盤），優(yōu)點(diǎn)是即使斷電，其信息也不會(huì)丟失，但在寫入和擦除數(shù)據(jù)時(shí)，需要較高的操作電壓 （20 V左右），時(shí)間也較長(zhǎng) （微秒級(jí)）。隨著器件尺寸越來(lái)越接近其物理極限，業(yè)界越來(lái)越需要基于新結(jié)構(gòu)和新原理的晶體管。

張衛(wèi)帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)嘗試把一個(gè)TFET和浮柵器件結(jié)合起來(lái)，構(gòu)成了一種全新的 “半浮柵”結(jié)構(gòu)的器件，被稱為半浮柵晶體管，它在降低功耗和提高性能這兩方面都取得了很大的突破。浮柵晶體管，是將電子隧穿過(guò)高勢(shì)壘 （接近8.9 eV）的二氧化硅絕緣介質(zhì)；而半浮柵晶體管，則是將電子隧穿過(guò)低勢(shì)壘 （1.1 eV）的硅材料，其隧穿勢(shì)壘大大地降低。 “隧穿”是量子世界的常見(jiàn)現(xiàn)象，可以 “魔術(shù)般”地通過(guò)固體，好像擁有了穿墻術(shù)。 “隧穿”勢(shì)壘越低，相當(dāng)于墻就越薄，器件隧穿所需的電壓也就越低。這種結(jié)構(gòu)可以讓半浮柵晶體管的數(shù)據(jù)擦寫更容易、迅速，整個(gè)過(guò)程都可以在低電壓條件下完成，為實(shí)現(xiàn)芯片低功耗運(yùn)行創(chuàng)造了條件。一個(gè)這樣的晶體管，功效和多個(gè)MOSFET相當(dāng)。

作為一種新型的基礎(chǔ)器件，半浮柵晶體管可應(yīng)用于不同的集成電路，并將對(duì)芯片設(shè)計(jì)與制造產(chǎn)生重要的推動(dòng)作用。

a）它可以取代一部分靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器 （SRAM）。SRAM是一種具有高速靜態(tài)存取功能的存儲(chǔ)器，多應(yīng)用于中央處理器 （CPU）內(nèi)的高速緩存，對(duì)處理器性能起到?jīng)Q定性的作用。傳統(tǒng)的SRAM需用6個(gè)MOSFET晶體管才能構(gòu)成一個(gè)存儲(chǔ)單元，集成度較低，占用面積大。半浮柵晶體管則可以單個(gè)晶體管構(gòu)成一個(gè)存儲(chǔ)單元，存儲(chǔ)速度接近由6個(gè)MOSFET晶體管構(gòu)成的存儲(chǔ)單元。因此，由半浮柵晶體管構(gòu)成的SRAM單元面積更小，密度大約可提高10倍。

b）半浮柵晶體管還可以應(yīng)用于動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（DRAM）領(lǐng)域。DRAM廣泛地應(yīng)用于計(jì)算機(jī)內(nèi)存，其基本單元為一個(gè)晶體管加一個(gè)電容的結(jié)構(gòu)。由于電容需要保持一定的電荷量來(lái)有效地存儲(chǔ)信息，無(wú)法像MOSFET那樣持續(xù)地縮小尺寸。業(yè)界通常通過(guò)挖 “深槽”等手段，制造特殊結(jié)構(gòu)的電容來(lái)縮小其占用的面積，但隨著存儲(chǔ)密度的提升，電容加工的技術(shù)難度和成本大幅度地提高。因此，業(yè)界一直在尋找可以用于制造DRAM的無(wú)電容器件技術(shù)，而半浮柵晶體管構(gòu)成的DRAM無(wú)需電容器便可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)DRAM的全部功能，不但成本大幅地降低，而且集成度更高，讀寫速度更快。

c）它還可以應(yīng)用于主動(dòng)式圖像傳感器芯片（APS）。傳統(tǒng)的圖像傳感器芯片需要用3個(gè)晶體管和一個(gè)感光二極管構(gòu)成一個(gè)感光單元，而由單個(gè)半浮柵晶體管構(gòu)成的新型圖像傳感器單元在面積上可以縮小20%以上。感光單元的密度提高，使圖像傳感器芯片的分辨率和靈敏度得到提升。

據(jù)估計(jì)，半浮柵晶體管作為一種基礎(chǔ)電子器件，在存儲(chǔ)和圖像傳感等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到300億美元以上。而且，由于半浮柵晶體管是一種基于標(biāo)準(zhǔn)硅CMOS工藝的微電子器件，兼容現(xiàn)有的主流硅集成電路制造工藝，因此具有很好的產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)。