在電晶體發明 75 週年之際，我想回答兩個問題：世界需要更好的電晶體嗎？如果是這樣，他們會是什麼樣子？

我會爭辯說，是的，我們將需要新的電晶體，而且我認為我們今天已經有了一些關於它們會是什麼樣子的暗示。問題在於我們是否有意願和經濟能力去製造它們。

我相信電晶體現在是並將繼續是應對全球變暖影響的關鍵。氣候變化可能會給社會、經濟和個人帶來鉅變，因此需要能夠賦予我們人類更大能力的工具。

半導體可以像其他技術一樣提高人類的能力。根據定義，所有技術都可以提高人類的能力。但對他們中的大多數人來說，自然資源和能源的限制使得數量級的改善值得懷疑。基於電晶體的技術是一個獨特的例外，原因如下：

1

隨著電晶體的改進，它們使新的能力成為可能，例如計算和高速通訊、網際網路、智慧手機、記憶體和儲存、機器人技術、人工智慧，以及其他還沒有人想到的東西。

2

這些能力具有廣泛的應用，它們改變了所有技術、行業和科學。

半導體技術的增長不像其他技術那樣受到其材料和能源使用的限制。IC 使用相對少量的材料。因此，它們變得越來越小，它們使用的材料越少，它們變得越快、越節能、越有能力。

3

從理論上講，資訊處理所需的能量仍然可以減少到今天所需能量的千分之一以下。雖然我們還不知道如何達到這種理論效率，但我們知道將能源效率提高一千倍並不違反物理定律。相比之下，大多數其他技術（例如電機和照明）的能源效率已經達到其理論極限的 30% 到 80%。

電晶體：過去、現在和未來

我們將如何繼續改進電晶體技術在短期內是相對清楚的，但離今天越遠，它就會變得越模糊。在短期內，您可以透過檢視最近的過去來瞥見電晶體的未來。

從 1960 年到 2010 年左右，基本的平面 （2D） MOSFET 結構一直保持不變，直到進一步增加電晶體密度和降低器件功耗變得不可能。我（代表本文作者胡正明）在加州大學伯克利分校的實驗室早在十多年前就看到了這一點。我們在 1999 年報道了平面電晶體的後繼者 FinFET 的發明。FinFET 作為第一個 3D MOSFET，將扁平而寬的電晶體結構變為高而窄的電晶體結構。好處是在更小的佔地面積內獲得更好的效能，就像在擁擠的城市中多層建築相對於單層建築的優勢一樣。

FinFET 也就是所謂的薄體（thin-body）MOSFET，這一概念繼續指導新裝置的開發。它源於這樣一種認識，即電流不會透過矽表面幾奈米內的電晶體洩漏，因為那裡的表面電勢受到柵極電壓的良好控制。FinFET 牢記這種薄體概念。該器件的主體是垂直的矽鰭片，被氧化物絕緣體和柵極金屬覆蓋，在強柵極控制範圍之外沒有留下任何矽。FinFET 將漏電流降低了幾個數量級，並降低了電晶體工作電壓。它還指出了進一步改進的路徑：進一步降低車身厚度。

FinFET 的鰭片隨著每個新的技術節點變得越來越薄和越來越高。但這種進步現在變得難以維持。因此業界正在採用一種新的 3D 薄體 CMOS 結構，稱為環柵 （GAA）。在這種新結構上，一堆半導體帶構成了薄體（a stack of ribbons of semiconductor make up the thin body）。

MOSFET 結構的每一次演變都旨在透過柵極 ［粉紅色］ 更好地控制矽中的電荷。電介質 ［黃色］ 防止電荷從柵極移動到矽體 ［藍色］。

3D 薄體趨勢將從這些 3D 電晶體延續到 3D 堆疊電晶體、3D 單晶片（Monolithic）電路和多晶片封裝。在某些情況下，這種 3D 趨勢已經達到了頂峰。例如，電荷陷阱（charge-trap）儲存器電晶體陣列的規律性使 NAND 快閃記憶體成為第一個從 2D 電路過渡到 3D 電路的 IC。自 2007 年東芝首次報告 3D NAND 以來，堆疊層數已從 4 層增長到超過 200層。

單晶片 3D 邏輯 IC 可能會適度起步，堆疊 CMOS 反相器的兩個電晶體以減少所有邏輯閘的“佔地面積”。但是堆疊的數量可能會增加。通往 3D IC 的其他途徑可能採用將額外的半導體薄膜層（例如矽、矽鍺或砷化銦鎵）轉移或沉積到矽晶片上。

薄體趨勢可能會在二維半導體中達到其最終終點，其厚度以原子為單位。例如，二硫化鉬分子（Molybdenum disulfide molecules）既天然又薄又相對較大，形成可能不超過三個原子寬但具有非常好的半導體特性的二維半導體。2016 年，加利福尼亞州和德克薩斯州的工程師使用二維半導體分子二硫化鉬和碳奈米管薄膜展示了具有關鍵尺寸的 MOSFET：柵極長度僅為 1 奈米。即使柵極短至 1 nm，電晶體漏電流也僅為每毫米 10 毫微安，可與當今最好的生產電晶體相媲美。

可以想象，在遙遠的未來，整個電晶體可能被預製為一個分子（molecule）。這些預製構件可能會透過稱為定向自組裝 （DSA：directed-self-assembly） 的製程被帶到它們在 IC 中的精確位置。要理解 DSA，回顧一下 COVID 病毒使用其尖峰來尋找並化學停靠在特定人類細胞表面的確切位置可能會有所幫助。在 DSA 中，對接點（docking spots）、“尖峰”（spikes）和電晶體cargo都是經過精心設計和製造的。最初的對接點（docking spots）可以透過在基板上進行光刻來建立，但是額外的對接點（docking spots）可能會在後續步驟中作為 cargo 引入。如果僅在製造過程中需要而在最終產品中不需要，則可以透過加熱或其他方式去除一些 cargo 。

除了使電晶體更小之外，我們還必須不斷降低它們的功耗。在這裡，我們可以看到透過使用所謂的負電容場效應電晶體 （NCFET：negative-capacitance field-effect transistors） 實現了數量級的減少。這些需要在 MOSFET 的柵極堆疊中插入奈米薄的鐵電材料層，例如氧化鉿鋯（hafnium zirconium oxide）。由於鐵電體包含自己的內部電場，因此開啟或關閉裝置所需的能量更少。薄鐵電體的另一個優點是可以利用鐵電體的容量來儲存其電場狀態，從而將儲存和計算整合在同一裝置中。

作者 ［左］ 於 2016 年獲得巴拉克奧巴馬總統 ［右］ 頒發的美國國家技術與創新獎章

在某種程度上，我所描述的裝置是從現有趨勢中產生的。但未來的電晶體可能與今天的電晶體具有截然不同的材料、結構和工作機制。例如，奈米機電開關（nanoelectromechanical switch）是對過去幾十年機械繼電器的迴歸，而不是電晶體的延伸。它不依賴於半導體物理學，而是僅使用金屬、電介質以及施加不同電壓的緊密間隔的導體之間的力。

所有這些例子都在幾年前用實驗證明了。然而，與以往的半導體技術突破相比，將它們投入生產需要更多的時間和精力。

走向未來

我們能否實現這些壯舉？過去的一些教訓表明我們可以。

第一個教訓是電晶體技術的進步並不平坦或順利。1980 年前後，每顆晶片的功耗上升到了令人痛苦的地步。採用 CMOS、取代 NMOS 和雙極技術後——工作電壓從 5 伏逐漸降低到 1 伏——為該行業帶來了 30 年或多或少的直截了當的進步。但是，功耗再次成為一個問題。2000 年至 2010 年間，有思想的研究人員預測每平方釐米 IC 產生的熱量很快就會達到核反應堆堆芯的熱量。3D薄體FinFET和多核處理器架構的採用避免了危機，迎來了又一個相對平穩的發展時期。

電晶體技術的發展史可謂一座座山峰攀登。只有當我們到達一座山頂時，我們才能看到遠處的景色，並繪製出一條路線來攀登下一座更高更陡的山峰。

第二個教訓是，半導體產業的核心力量——奈米加工——非常強大。歷史證明，只要有足夠的時間和經濟激勵，只要該想法不違反科學規律，該行業就能夠將任何想法變為現實。

但該行業是否有足夠的時間和經濟激勵來繼續攀登更高更陡峭的山峰並不斷提高人類的能力？

這是一個公平的問題。隨著晶圓廠行業資源的增長，技術發展的山峰增長得更快。終有一天，沒有一家晶圓廠公司能夠登上山頂，看清前方的道路。那麼會發生什麼？

所有半導體晶圓廠（包括獨立的和像英特爾這樣的綜合性公司）的收入約佔半導體行業收入的三分之一。但晶圓廠僅佔半導體技術所帶來的 IT、電信和消費電子行業總收入的 2%。然而，晶圓廠行業承擔著發現、生產和營銷新電晶體和納米制造技術的大部分重擔，這需要改變了。

為了讓該行業生存，晶圓廠行業相對貧乏的資源必須優先考慮晶圓廠建設和股東需求，而不是科學探索。雖然晶圓廠行業正在延長其研究時間範圍，但它也需要其他人來承擔責任。人類長期解決問題的能力值得有針對性的公眾支援。該行業需要長期探索性研究的幫助，公共資助，在類似貝爾實驗室的環境中，或者由大學研究人員提供，這些研究人員具有長期的職業生涯，並且在物理、化學、生物學和演算法方面的知識比企業研究更廣泛和更深入目前允許。

這樣，人類將繼續尋找新的電晶體，並獲得應對未來幾個世紀挑戰所需的能力。

炒股開戶享福利，入金抽188元紅包，100%中獎！

開啟App看更多精彩內容

TAG: 電晶體3D晶圓廠柵極半導體