由淺到深 談芯說事

三星宣布，加入了11nm 工藝，性能比此前的14nm提升了15%，單位面積的功耗降低了10%。若要遵循摩爾定律繼續(xù)走下去，未來的半導體技術還會有多大所提升空間呢？

10年前我們覺得65nm工藝是極限，因為到了65nm節(jié)點二氧化硅絕緣層漏電已經(jīng)不可容忍。所以工業(yè)界搞出了HKMG，用high-k介質(zhì)取代了二氧化硅，傳統(tǒng)的多晶硅-二氧化硅-單晶硅結(jié)構(gòu)變成了金屬-highK-單晶硅結(jié)構(gòu)。5年前我們覺得22nm工藝是極限，因為到了22nm溝道關斷漏電已經(jīng)不可容忍。所以工業(yè)界搞出了FinFET和FD-SOI，前者用立體結(jié)構(gòu)取代平面器件來加強柵極的控制能力，后者用氧化埋層來減小漏電?，F(xiàn)在我們覺得7nm工藝是極限，因為到了7nm節(jié)點即使是FinFET也不足以在保證性能的同時抑制漏電。所以工業(yè)界用砷化銦鎵取代了單晶硅溝道來提高器件性能。當我們說工藝到了極限的時候，我們其實是在說在現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)、材料和設備下到了極限。然而每次遇到瓶頸的時候，工業(yè)界都會引入新的材料或結(jié)構(gòu)來克服傳統(tǒng)工藝的局限性。當然這里面的代價也是驚人的，每一代工藝的復雜性和成本都在上升。

Source：源極 Gate：柵極 Drain：漏極

工作原理

一個芯片上整合了數(shù)以百萬計的晶體管，而晶體管實際上就是一個開關，晶體管能通過影響相互的狀態(tài)來處理信息。晶體管的柵極控制著電流能否由源極流向漏極。電子流過晶體管在邏輯上為“1”，不流過晶體管為“0”，“1”、“0”分別代表開、關兩種狀態(tài)。在目前的芯片中，連接晶體管源極和漏極的是硅元素。硅之所以被稱作半導體，是因為它可以是導體，也可以是絕緣體。晶體管柵極上的電壓控制著電流能否通過晶體管。

摩爾定律

為了跟上摩爾定律的節(jié)奏，工程師必須不斷縮小晶體管的尺寸。但是隨著晶體管尺寸的縮小，源極和柵極間的溝道也在不斷縮短，當溝道縮短到一定程度的時候，量子隧穿效應就會變得極為容易，換言之，就算是沒有加電壓，源極和漏極都可以認為是互通的，那么晶體管就失去了本身開關的作用，因此也沒法實現(xiàn)邏輯電路。從現(xiàn)在來看，10nm工藝是能夠?qū)崿F(xiàn)的，7nm也有了一定的技術支撐，而5nm則是現(xiàn)有半導體工藝的物理極限。

硅芯片工藝自問世以來，一直遵循摩爾定律迅速發(fā)展。但摩爾定律畢竟不是真正的物理定律，而更多是對現(xiàn)象的一種推測或解釋，我們也不可能期望半導體工藝可以永遠跟隨著摩爾定律所說發(fā)展下去。但是為了盡可能地延續(xù)摩爾定律，科研人員也在想盡辦法，比如尋求硅的替代材料，以繼續(xù)提高芯片的集成度和性能。接下來我們來談一下幾種未來有可能取代硅，成為新的半導體材料方案。

III-V族化合物材料

可能將會在7nm節(jié)點放棄傳統(tǒng)的硅芯片工藝，并在未來的幾年中啟用全新的半導體材料來作為繼任者，目前看來，這種新材料很可能會是III-V族化合物半導體。該半導體材料是以III-V化合物取代FinFET上的硅鰭片，與硅相比，由于III-V化合物半導體擁有更大的能隙和更高的電子遷移率，因此新材料可以承受更高的工作溫度和運行在更高的頻率下。Intel在很早之前已經(jīng)嘗試III-V族化合物（磷化銦和砷化銦鎵）與傳統(tǒng)晶圓整合的化合物半導體。而在一年多前，IMEC（微電子研究中心，成員包括Intel、IBM、臺積電、三星等半導體業(yè)界巨頭）已經(jīng)宣布成功在300mm 22nm晶圓上整合磷化銦和砷化銦鎵，開發(fā)出FinFET化合物半導體。

III-V族化合物成為FinFET上的鰭片

比起其他替代材料，III-V族化合物半導體沒有明顯的物理缺陷，而且跟目前的硅芯片工藝相似，很多現(xiàn)有的技術都可以應用到新材料上，因此也被視為在10nm之后繼續(xù)取代硅的理想材料。目前需要解決的最大問題，恐怕就是如何提高晶圓產(chǎn)量并降低工藝成本了。

1、石墨烯

電鏡下的石墨烯，呈六邊形結(jié)構(gòu)

石墨烯被視為是一種夢幻材料，它具有很強的導電性、可彎折、強度高，這些特性可以被應用于各個領域中，甚至具有改變未來世界的潛力，也有不少人把它當成是取代硅，成為未來的半導體材料。但是真正把它應用于半導體領域，還需要克服不少的困難。

2、硅烯

碳跟硅具有相同的化學性質(zhì)，而事實上，在空氣中，硅烯具有極強的不穩(wěn)定性，即使在實驗室中，硅烯的保存時間也很短。如果要制作硅烯晶體管，還需要嘗試通過添加保護涂層等手段，保證硅烯不會變性，才可能應用于實際當中。雖然硅烯的應用面臨著重重困難，但它仍然有希望趕超老大哥石墨烯，成為理想的半導體材料。

具有相似結(jié)構(gòu)的硅烯，可能是比石墨烯更好的方案

結(jié)束語

科研總是走在實用之前很多年的，已經(jīng)有許多新的方向在試圖突破。比如三價五價半導體，碳納米管、以及量子隧穿類的研究。其實芯片本身在架構(gòu)方面也還有很大的潛力可挖，計算性能并非只能死磕制程。或許只有量子計算、光子計算才是最終歸宿。