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Allbet:芯片盛世70年!回顾晶体管的发展史,看下一个发展机遇在哪?

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自1947 年首次出现在贝尔实验室到今天,晶体管给电子行业带来的变革可能比任何其他组件都要大。晶体管在现代技术的创新中发挥了至关重要的作用。虽然晶体管主要用于模拟电路中的放大和数字电路中的开关,但密集的研究和开发继续为基于晶体管的新应用打开大门。


由于超大规模集成 (VLSI) 技术,数十亿个晶体管可以放置在单个芯片上,用于计算应用。例如,Apple的M1 Ultra SoC由 1140 亿个晶体管组成——这是芯片上晶体管数量最多的一次。


早在 20 世纪初,工程师们就使用晶体管来放大电信号。这个用例的第一个实例来自英国电气工程师John Ambrose Fleming,当时他发明了真空管。然而,真空管面临许多只有现代晶体管的发明才能解决的缺点。

点接触晶体管:一颗星星诞生了


第一个公认的晶体管是由贝尔实验室的研究人员 Walter Brattain 和 John Bardeen 于 1947 年开发的。经过多次尝试用硅制造放大器后,Bardeen 和 Brattain 决定使用一块锗板和两个金箔来制造点接触晶体管。当金箔靠近锗表面时,他们观察到更多的电子空穴。贝尔研究人员还注意到,通过触点的电流在金箔的另一个触点处被进一步提升和放大。


这一发现标志着电子行业以晶体管为主导的新时代的曙光。1952 年,点接触晶体管在商业用途中广泛使用,并有助于制造电话系统。


从锗到硅


为了改进 Bardeen 和 Brattain 的晶体管设计,William Shockley 于 1951 年用锗制造了结型晶体管。Shockley 的结型晶体管只是三层半导体的三明治。外层比中间层包含更多的电子。肖克利解释说,这种设计允许电流流过夹在中间的半导体以制造放大器。


虽然点接触和结型晶体管依赖于锗,但研究人员很快注意到该组件在 180°F 时发生故障。这是因为当锗被加热到非常高的温度时,它会在晶体管中引入过多的自由电子,从而破坏整个组件。

这一缺陷促使德州仪器 (TI) 的研究员 Gordon Teal 在 1954 年发明了第一个硅晶体管。Teal 的硅晶体管具有与锗晶体管相同的工作原理,但它可以承受高温。硅晶体管是npn结构,通过生长结工艺制造。


MOSFET成就现代


硅晶体管的发展导致更多基于硅的晶体管的发明,例如金属氧化物半导体晶体管(MOSFET)。第一个 MOSFET由贝尔实验室研究员 John Atalla 于 1960 年制造。该设计基于 Shockley 的场效应理论。


与三明治结型晶体管不同,MOSFET 具有 n 型或 p 型半导体的沟道。当电压施加到通道上时,会产生一个电场,它就像一个水龙头来打开和关闭晶体管中的电流。为了实现高开关速度,制造商通常在制造过程中采用外延分解工艺。该过程还在晶体管中产生高击穿电压。


下一代纳米晶体管


根据摩尔定律,集成电路 (IC) 中每单位面积的晶体管数量每两年翻一番。这种对小型化的推动为从微电子到纳米电子的下一代晶体管带来了复杂性。今天,研究人员的目标是将晶体管缩小到纳米级。


随着基于硅的晶体管现在以纳米尺寸运行,工程师面临着与物理空间缩小相关的设计和制造挑战。例如,一个 100nm 尺寸的 MOSFET 可能会遇到短沟道效应,从而对晶体管的性能产生不利影响。更重要的是,纳米尺寸的硅晶体管会经历高沟道泄漏电流。


2016 年,劳伦斯伯克利国家实验室的一个团队声称创造了世界上最小的晶体管,尺寸为 1nm。


为了解决这些限制,研究人员现在正在研究制造晶体管的纳米技术材料。最近,研究人员探索了二维超薄单层材料,例如二硫化钼,以制造比微型硅晶体管更可靠的晶体管。碳纳米管和石墨烯也是有希望替代晶体管中硅的材料。


此外,德累斯顿工业大学的一组研究人员最近报道了“世界上第一个”高效有机双极结晶体管。该团队使用基于 n 型和 p 型掺杂红荧烯晶体薄膜的高度有序的薄有机层来开发有机双极晶体管。这些晶体管可以提高数据处理和传输的性能。


目前常见的几种晶体管类型


平面晶体管


平面工艺是60年代发展起来的一种非常重要的半导体技术。该工艺是在Si半导体芯片上通过氧化、光刻、扩散、离子注入等一系列流程,制作出晶体管和集成电路。凡采用所谓平面工艺来制作的晶体管,都称为平面晶体管。


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平面晶体管的基区一般都是采用杂质扩散技术来制作的,故其中杂质浓度的分布不均匀(表面高,内部低),将产生漂移电场,对注入到基区的少数载流子有加速运动的良好作用。所以平面晶体管通常也是所谓漂移晶体管。这种晶体管的性能大大优于均匀基区晶体管。


传统的平面型晶体管技术,业界也存在两种不同的流派,一种是被称为传统的体硅技术(Bulk SI),另外一种则是相对较新的绝缘层覆硅(SOI)技术。平面Bulk CMOS和FD-SOI曾在22nm节点处交锋了。其中,Bulk CMOS是最著名的,也是成本最低的一种选择,因此它多年来一直是芯片行业的支柱。但随着技术的推进,Bulk CMOS晶体管容易出现一种被称为随机掺杂波动的现象。Bulk CMOS晶体管也会因此可能会表现出与其标称特性不同的性能,并且还可能在阈值电压方面产生随机差异。解决这个问题的一种方法是转向完全耗尽的晶体管类型,如FD-SOI或FinFET。


Bulk CMOS与FD-SOI两者的区别在于后者在硅基体顶部增加了一层埋入式氧化物(BOX)层,而BOX上则覆有一层相对较薄的硅层。该层将晶体管与衬底隔离,从而阻断器件中的泄漏。Intel是体硅技术的坚定支持者,而IBM/AMD则是SOI技术的绝对守护者。


FinFet晶体管


平面晶体管主导了整个半导体工业很长一段时间。但随着尺寸愈做愈小,传统的平面晶体管出现了短通道效应,特别是漏电流,这类使得元件耗电的因素。尤其是当晶体管的尺寸缩小到25nm以下,传统的平面场效应管的尺寸已经无法缩小。在这种情况下,FinFET出现了。FinFET也被称为鳍式场效应晶体管,这是一种立体的场效应管。FinFET的主要是将场效应管立体化。


第一种FinFET晶体管类型称为“耗尽型贫沟道晶体管”或“ DELTA”晶体管,该晶体管由日立中央研究实验室的Digh Hisamoto,Toru Kaga,Yoshifumi Kawamoto和Eiji Takeda于1989年在日本首次制造。但目前所用的FinFet晶体管则是由加州大学伯克利分校胡正明教授基于DELTA技术而发明,属于多闸极电晶体。


多闸极晶体管的载子通道受到接触各平面的闸极控制。因此提供了一个更好的方法可以控制漏电流。由于多闸极晶体管有更高的本征增益和更低的沟道调制效应,在类比电路领域也能够提供更好的效能。如此可以减少耗电量以及提升芯片效能。立体的设计也可以提高晶体管密度,进而发展需要高密度晶体管的微机电领域。


与平面CMOS(互补金属氧化物半导体)技术相比,FinFET器件具有明显更快的开关时间和更高的电流密度。FinFET是一种非平面晶体管或“ 3D”晶体管。它是现代纳米电子半导体器件制造的基础。


2011年,英特尔将之用于22nm工艺的生产,正式走向商业化。从2014年开始,14nm(或16nm)的主要代工厂(台积电,三星,GlobalFoundries)开始采用FinFET设计。在接下来的发展过程中,FinFET也成为了14 nm,10 nm和7 nm工艺节点的主要栅极设计。


GAA晶体管


而当先进工艺发展到了7nm阶段,并在其试图继续向下发展的过程中,人们发现,FinFET似乎也不能满足更为先进的制程节点。于是,2006年,来自韩国科学技术研究院(KAIST)和国家nm晶圆中心的韩国研究人员团队开发了一种基于全能门(GAA)FinFET技术的晶体管,三星曾表示,GAA技术将被用于3nm工艺制程上。


GAA全能门与FinFET的不同之处在于,GAA设计围绕着通道的四个面周围有栅极,从而确保了减少漏电压并且改善了对通道的控制,这是缩小工艺节点时的基本步骤,使用更高效的晶体管设计,再加上更小的节点尺寸,和5nm FinFET工艺相比能实现更好的能耗比。


GAA 技术作为一款正处于预研中的技术,各家厂商都有自己的方案。比如 IBM 提供了被称为硅纳米线 FET (nanowire FET)的技术,实现了 30nm 的纳米线间距和 60nm 的缩放栅极间距,该器件的有效纳米线尺寸为 12.8nm。此外,新加坡国立大学也推出了自己的纳米线 PFET,其线宽为 3.5nm,采用相变材料 Ge2Sb2Te5 作为线性应力源。


另据据韩媒Business Korea的报道显示,三星电子已经成功攻克了3nm和1nm工艺所使用的GAA (GAA即Gate-All-Around,环绕式栅极)技术,正式向3nm制程迈出了重要一步,预计将于2022年开启大规模量产。


结语


从平面晶体管走到GAA晶体管,代工厂的研发投入越来越高。在这个过程中,格芯和联电接连放弃了14nm以下先进制程的研究,英特尔虽然公布了其7nm计划,但其已在10nm工艺节点上停留了很久。而三星也在7nm节点处落后于台积电的发展,在这种情况下,台积电几乎包揽了市场上所有7nm的生意。


但先进工艺不会因为玩家变少而停滞不前,按照三星早早公布GAA晶体管的最近状态中看,其势要在3nm节点处,与台积电一争高下。而台积电方面除了有消息透露其将采用EUV光刻外,并无新的杀手锏。在3nm节点处,新的晶体管会改变现有代工厂的市场地位吗?晶体管未来还会发生怎样的变化,都值得大家共同期待。


晶体管市场前景广阔


晶体管传统应用领域主要集中在电子、通讯产业中。随着科技不断进步,汽车电子化程度不断提升,汽车电子应用规模不断扩大,特别是随着新能源汽车产业蓬勃发展,汽车领域对晶体管的需求快速上升。


在全球市场中,晶体管领先生产企业主要是台积电、三星、英特尔。其中,台积电具有7nm晶体管量产能力,英特尔具有10nm晶体管量产能力,三星也具有7nm晶体管量产能力,但产品性能与英特尔10nm接近。我国晶体管生产企业主要有哈尔滨晶体管有限公司、武汉力源信息技术股份有限公司、深圳市友进科技有限公司、上海藤铭实业有限公司等。与国外相比,我国在晶体管技术研究领域的差距正在不断缩小,但尖端产品量产实力依然较弱。


晶体管传统应用领域主要集中在电子、通讯产业中。随着科技不断进步,汽车电子化程度不断提升,汽车电子应用规模不断扩大,特别是随着新能源汽车产业蓬勃发展,汽车领域对晶体管的需求快速上升。太阳能发电成为全球多个国家调整能源结构、应对能源危机、保护生态环境的重要技术,太阳能发电装备中的逆变器、电机等部件需要晶体管功能,对晶体管需求也在不断增长。总的来看,晶体管市场前景广阔。


来源:半导体芯闻 ,新思界网,半导体行业观察


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