最近,美国麻省理工学院(MIT)研究团队在IEEE国际电子元件会议上发表文章称,用纳米级砷化镓铟(InGaAs)可以构建集成度更高、功耗更低的晶体管。InGaAs晶体管技术被认为是为计算机领域带来了新的希望,甚至可与硅(Si)技术相竞争。

中国科学院上海技术物理研究所研究员王建禄认真研究了MIT团队这项工作,尤其是该项工作的原始数据。“该团队发现了9纳米(nm) InGaAsFinFET结构晶体管的弹道迁移率特性,是InGaAs晶体管技术上的一个突破。”他在接受《中国科学报》采访时表示,但其对以Si主导的集成电路芯片技术,尚无法形成实质性改变。

“硅基晶体管在可预见的未来都将是不可替代的。”中国科学院半导体研究所研究员李晋闽补充道。

晶体管尺寸不断缩小

人类使用的电脑、智能手机、智能硬件等,都离不开晶体管。作为人类史上最伟大的发明之一,晶体管具有检波、整流、稳压、信号调制等多种功能,通常用作放大器和电控开关。但在集成电路技术出现后,大量晶体管可以封装在一片指甲盖大小的芯片内。

摩尔定律显示,当价格不变时,集成电路上可容纳的晶体管数量,每隔约18个月会增加一倍,性能也将提升一倍。

随着半导体技术的发展,晶体管尺寸不断缩小,芯片制程不断提高,从32nm到22nm、16nm、14nm、7nm,一直到5nm。不难看出,单颗芯片上可容纳晶体管数量不断增加,最先进的芯片上容纳的晶体管数量已达到几十亿甚至上百亿。

然而,辉煌了55年的摩尔定律逼近极限,冯·诺依曼计算架构也遇到“内存墙”(Memory Wall)问题。

传统晶体管主要以Si材料制作而成。对于Si基晶体管而言,7nm堪称物理极限。专家表示,一旦晶体管尺寸低于7nm,电子的行为将受限于量子的不确定性,晶体管中的电子容易产生隧穿效应,晶体管将变得不再可靠,芯片制造必将面临巨大挑战。

也就是说,虽然Si基半导体材料和晶体管框架的创新持续推进摩尔定律发展,但摩尔定律确实逐步趋近物理极限。

后摩尔时代将会是什么样的,正成为业界当下讨论的焦点。“目前摩尔定律要想进一步延伸,主要是要解决集成度和能效的关系。”王建禄说。

他向《中国科学报》进一步解释道,晶体管体积越来越小,种种物理极限制约着其进一步发展。比如当晶体管沟道区域长度足够短的时候,量子穿隧效应就会发生,会导致漏电流增加,进而导致晶体管效能的下降。

寻找新材料替代Si,生产出尺寸更小、性能更佳的晶体管成为共识。例如,利用碳纳米管和二氧化钼、黑磷、石墨烯、硒化铟等材料制作晶体管,但这些解决方案仍处在实验室实验阶段。

InGaAs是一种潜在候选材料

李晋闽在接受《中国科学报》采访时表示,随着半导体技术不断进步,化合物半导体的比例会越来越大。

除了上述材料外,InGaAs被看成是一种潜在候选材料。王建禄介绍,InGaAs这类半导体是InAs半导体和GaAs半导体的三元合金,是III-V族化合物半导体的典型代表,可用于电子和光电子器件。以InGaAs制作的高速高灵敏的光探测器广泛应用于光纤通信领域,其他重要应用还包括激光器以及太阳能电池。

近年来,有关InGaAs晶体管的报道并不鲜见。例如,2012年MIT研究人员用InGaAs构建了当时最小的22nm节点场效应晶体管;2014年美国宾夕法尼亚州立大学研究人员用InGaAs纳米线构建了弹道传输的纳米线晶体管,并预期沟道的长度可达到14nm甚至更小;2015年,英特尔在国际固态电路会议上报道了基于7nm InGaAs的互补金属有氧化物半导体(CMOS)工艺。

过去,研究人员认为InGaAs晶体管的性能会在小尺度下退化。但MIT最新研究称,这种明显退化不是InGaAs材料本身的固有特性,部分归因于氧化物陷阱。

据称,氧化物陷阱将会导致电子在试图流过晶体管时被卡住。“在低频下,纳米级InGaAs晶体管的性能似乎退化了;但在1 GHz或更高的频率下,它们工作得很好,因为氧化物捕获不再是障碍。当我们以很高的频率操作这些器件时,它们的性能确实很好。”MIT团队一位研究人员表示,“它们与硅技术相比是有竞争力的。”

在王建禄看来,解决氧化物陷阱问题只是技术层面的问题,任何材料与硅竞争,实际上最终都是产业生态的问题。他进一步解释道,目前主流芯片产业的生产、制造等都主要以硅材料为基础来构建。

“用InGaAs来做晶体管的沟道材料确实不是主流关注方向。”南京大学一位专家告诉《中国科学报》,即使在微观电子输运性质上获得进展,考虑到硅的先进制程技术的发展,以及集成电路产业加工工艺对特定沟道材料的重资产投入,这种材料代替硅几乎没有可能。

最新芯片仍采用Si基技术

中国工程院院士郑有炓曾在接受媒体采访时表示,5nm芯片是一个重要阶段,将会孕育出重大创新。

目前台积电和三星的5nm技术节点仍然采用Si材料作为沟道材料,华为麒麟9000和苹果A14的最新芯片技术采用的也是5nm节点Si基技术。

在王建禄看来,近期,工业界关注的材料体系仍将以Si、SiGe等传统半导体材料体系为主;未来随着材料技术的突破,二维半导体、一维碳纳米管等材料有可能进入工业界的视线。

“InGaAs晶体管尚无法对Si基形成威胁。”王建禄再次强调道,硅锗技术仍然可能是3nm技术节点优选材料。(记者 秦志伟)