針對微芯片行業(yè)速度最快、最精密且最具能效的集成電路的爭奪戰(zhàn)在全球各大制造巨頭之間愈演愈烈，這正是芯片制造商為何要將全新的晶體管設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)集成到其最先進(jìn)的節(jié)點(diǎn)中的原因。臺積電、三星和英特爾都已宣布將在未來幾年采用目前最受關(guān)注的晶體管結(jié)構(gòu)——全環(huán)繞柵極晶體管。

今天我們就來解讀一下這個(gè)全環(huán)繞柵極晶體管，看看它將給半導(dǎo)體行業(yè)帶來那些影響？

什么是晶體管？

晶體管作為一種可放大或切換電信號的半導(dǎo)體器件，是現(xiàn)代電子產(chǎn)品的基本組成部分，包括芯片。如今的主流芯片包含了數(shù)十億個(gè)晶體管。

晶體管如何工作？

晶體管是組成芯片的基本器件。所有晶體管互連，用作電流開關(guān)，通過打開或關(guān)閉這些柵極可以允許或阻止電流通過。這意味著每個(gè)晶體管可以處于兩種不同的狀態(tài)，存儲兩個(gè)不同的數(shù)字，即0和1。

一塊芯片中包含數(shù)十億個(gè)晶體管，代表著可以存儲數(shù)十億個(gè)0和1來發(fā)送、接收并處理大量數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。就像所有開關(guān)一樣，晶體管需要做好三件事：打開時(shí)允許最大電流通過；關(guān)閉時(shí)不會泄漏電流；盡量提高開關(guān)速度以確保實(shí)現(xiàn)最佳性能。

什么是全環(huán)繞柵極晶體管？

全環(huán)繞柵極（GAA）晶體管是一種經(jīng)過改進(jìn)的晶體管結(jié)構(gòu)，其柵極可從各個(gè)側(cè)面接觸溝道，有助于實(shí)現(xiàn)連續(xù)微縮。

全環(huán)繞柵極晶體管有哪些優(yōu)勢？

要了解全環(huán)繞柵極晶體管的優(yōu)勢，必須先知道晶體管結(jié)構(gòu)如何從平面晶體管過渡到鰭式場效晶體管（FinFET），再到全環(huán)繞柵極晶體管。

平面晶體管

Planar transistors

這種傳統(tǒng)的晶體管之所以稱為平面晶體管是因?yàn)榫w管的關(guān)鍵元素都放在一個(gè)二維平面上，包括柵極（通過溝道控制導(dǎo)電性）、源極（驅(qū)動電流流向溝道）以及漏極（電流離開溝道）。所有這些部件都是在半導(dǎo)體材料硅基板上形成的。這種晶體管概念在20世紀(jì)50、60年代實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化，非常適合實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)和微縮化。一塊芯片所能包含的晶體管數(shù)量大幅增加，為摩爾定律以及整個(gè)芯片行業(yè)奠定了基礎(chǔ)。

鰭式場效晶體管

FinFET transistors

隨著時(shí)間的推移，工程師發(fā)現(xiàn)將柵極提升到硅基平面以上——類似于露出水面的魚鰭——可以提高對溝道電流的控制能力。很快，業(yè)界就從二維平面晶體管過渡到三維鰭式場效晶體管，簡稱FinFET。在三維鰭式場效晶體管中，柵極環(huán)繞硅鰭片的三個(gè)側(cè)面，而非像平面晶體管那樣覆蓋其頂部。這會形成表面積更大的反轉(zhuǎn)層，有助于柵極更好地控制流過晶體管的電流。這意味著更多電流通過、泄漏更少，且操作晶體管所需的柵極電壓更低。

此外，三維鰭式場效的垂直鰭片形狀讓工程師能夠在一塊芯片中容納更多晶體管，進(jìn)一步推進(jìn)了摩爾定律。最終，三維鰭式場效讓芯片具有更好的性能、更低的功耗，在2010年代一直處于領(lǐng)先地位。

全環(huán)繞柵極晶體管

Gate-all-around transistors

不過，三維鰭式場效晶體管技術(shù)遲早有一天會遭遇瓶頸，無法滿足行業(yè)需要。隨著臺積電、三星和英特爾推出目前最先進(jìn)的節(jié)點(diǎn)，三維鰭式場效晶體管已接近鰭片高度和并排鰭片數(shù)量極限，無法在不出現(xiàn)電氣問題的前提下繼續(xù)提高載流能力。

為進(jìn)一步提升對晶體管溝道的控制，工程師找到一種用多層堆疊的水平納米片取代垂直鰭片的方法，形成被稱為全環(huán)繞柵極場效晶體管的新概念，簡稱GAA晶體管或GAAFET。全環(huán)繞柵極晶體管采用堆疊納米片，這些獨(dú)立的水平納米片垂直堆疊，柵極在所有四個(gè)側(cè)面包圍溝道，有助于進(jìn)一步減少漏電、增加驅(qū)動電流。這意味著較強(qiáng)的電信號能夠通過晶體管并在晶體管之間傳遞，從而提升了芯片性能。此外，芯片制造商現(xiàn)在可以根據(jù)芯片設(shè)計(jì)靈活地改變納米片寬度。具體而言，寬的納米片能夠提供更大的驅(qū)動電流和更好的性能，而窄的納米片則可優(yōu)化功耗。

對日常生活帶來哪些影響？

全環(huán)繞柵極晶體管有望在未來幾年成就最先進(jìn)的芯片設(shè)計(jì)。由于芯片制造商可以控制這種晶體管的制造成本，有助于以合理的價(jià)格實(shí)現(xiàn)先進(jìn)芯片的量產(chǎn)，同時(shí)讓新型電子產(chǎn)品、5G連接、游戲、圖形學(xué)、AI解決方案、醫(yī)療技術(shù)、汽車技術(shù)等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)性能提升。

此外，全環(huán)繞柵極晶體管具有更好的性能、更少的泄漏和更低的能耗，能夠替代舊的晶體管結(jié)構(gòu)，成為更具可持續(xù)性、更環(huán)保的理想選擇。

審核編輯：湯梓紅