访《科学》论文作者：横空出世的半浮栅晶体管

■本报记者何和记者报道

8月9日出版的《科学》杂志发表了复旦大学微电子学院张伟课题组的最新研究论文。该研究小组提出并实现了一种新型微电子基础器件:半浮栅晶体管(SFGT)。这是中国科学家在这一*学术期刊上发表的微电子器件领域的第一个原创性成果，标志着创新链这一世界级集成电路技术的重大突破。

集成电路产业的突破

经过十几年的发展，中国集成电路行业目前的销售收入从2001年的199亿元增加到2011年的1572亿元，占全球集成电路市场的9.8%，销售收入年均增长率为23.7%。

然而，我们必须正视这样一个事实:中国集成电路产业的发展仍然存在许多问题。工业和信息化部电子信息司司长丁曾撰文指出，中国产品供给不足，持续创新能力有待加强，产业高度依赖国外。

尽管中国在自主知识产权集成电路技术方面取得了很大进步，但集成电路的核心技术仍然基本上属于外国公司。集成电路行业也主要依靠引进和吸收国外成熟技术，缺乏微电子核心器件和集成工艺的核心技术。因此，作为一种新型微电子基础器件，半浮栅晶体管在复旦大学的出现将有助于我国掌握集成电路的核心技术，从而在国际芯片设计和制造中逐渐获得更多的话语权。

结构巧妙，性能高

据报道，金属氧化物半导体场效应晶体管是目前集成电路中最基本的器件。技术的进步使得场效应晶体管的尺寸不断缩小，功率密度不断增加。

人们通常使用的闪存芯片，如通用串行总线闪存驱动器，使用另一种叫做浮栅晶体管的设备。闪存也被称为“非易失性存储器”——所谓的“非易失性”是指信息在没有电源的情况下仍然可以存储而不会丢失。该器件在写入和擦除期间需要电流通过厚度约为5纳米的氧化硅介质层，因此需要更高的工作电压(约20伏)和更长的时间(微秒级)。

复旦大学的研究人员将隧道场效应晶体管(TFET)与浮栅器件结合起来，形成了一种全新的“半浮栅”结构器件，称为“半浮栅晶体管”。硅基TFET晶体管利用硅中的量子隧道效应，而传统的浮栅晶体管通过绝缘介质擦除和写入电子论文的第一作者和复旦大学教授王鹏飞向记者解释说。

“隧道效应”是量子世界中常见的现象。它可以“神奇地”穿过固体，类似于“穿墙”。“隧穿”势垒越低，等效“壁”越薄，器件隧穿所需的电压越低。通过将TFET与浮栅结合，半浮栅晶体管的“数据”可以更容易和更快地被擦除和擦除。

“TFET是浮栅充放电，完成‘数据擦除’操作，而‘半浮栅’实现‘数据存储和读出’功能。”张伟解释说，传统的浮栅晶体管通过高势垒(禁带宽度接近8.9 eV)二氧化硅绝缘介质隧穿电子，而半浮栅晶体管的隧穿发生在禁带宽度仅为1.1 eV的硅材料中，隧穿势垒大大减小。

潜在市场是巨大的

半浮栅晶体管作为一种新的基本器件，可以应用于不同的集成电路。首先，它可以取代静态随机存取存储器的一部分，即静态随机存取存储器。其次，半浮栅晶体管也可以应用于动态随机存取存储器领域。半浮栅晶体管不仅可以应用于存储器，还可以应用于有源图像传感器芯片。由单个半浮栅晶体管组成的新型图像传感器单元可以减少20%以上的面积，提高感光单元的密度，从而提高图像传感器芯片的分辨率和灵敏度。

目前，静态随机存储器、动态随机存储器和图像传感器技术的核心专利基本上由美光、三星、英特尔和索尼等外国公司控制。

"在这些领域，*很少有具有自主知识产权和应用的产品."张伟说道。

据了解，半浮栅晶体管在存储和图像传感领域的潜在应用市场规模可达300多亿美元。此外，本发明与现有主流硅集成电路制造工艺兼容，不需要对现有集成电路制造工艺进行大的改动，具有良好的产业化基础。

张伟表示，半浮栅晶体管的优化和电路设计已经开始。关于工业化进程，他表示希望有设计和制造合作伙伴与科学研究团队互动，推动工业化。

然而，拥有核心专利并不意味着在未来拥有广阔的市场。虽然半浮栅晶体管有着广阔的应用市场，但前提是要优化核心专利的布局。

张伟表示，他希望加快布局，以免被大型外国公司超越。事实上，大型外国公司拥有资金和人才优势，可以大规模申请专利。相比之下，张伟的研究小组显然“软弱”。他说，目前的半浮栅晶体管是在一个较大的技术节点上实现的，主要是为了验证器件的性能。未来的研究工作将主要集中在器件性能、电路设计和相关应用的关键IP技术的优化和进一步改进，以及技术节点的减少带来的一系列工艺问题。

《中国科学报》(第五版《技术与经济周刊》，2013年8月21日)