前言：

目前來看，Bizen可能會打開老式晶圓廠的邏輯生產(chǎn)之門。如果它能被業(yè)界采用，鑒于將給定技術(shù)節(jié)點(diǎn)上的Bizen裸片面積比CMOS邏輯實現(xiàn)的面積要小這一優(yōu)勢，或許能夠?qū)⒛柖蓵r鐘倒退10年或更長時間。

傳統(tǒng)晶體管面臨重重壓力

數(shù)十年來，芯片上的晶體管變得越來越小，越來越快，越來越便宜，可是近年來，摩爾定律正在面臨失效。

更小、更快的新型晶體管將使得計算機(jī)工業(yè)再次取得巨大進(jìn)步。通過這種方式，摩爾定律可能很快重新煥發(fā)生機(jī)，計算機(jī)性能有望迅猛增長。

晶體管日益發(fā)展，要突破物理極限，傳統(tǒng)方法已經(jīng)不適用，如今必須采用創(chuàng)新方法制造晶體管。

制程升級所面臨現(xiàn)實難題

在過去，半導(dǎo)體市場的重點(diǎn)一直圍繞著傳統(tǒng)的芯片微縮，在器件中加入更多功能，然后在每個工藝節(jié)點(diǎn)上縮小器件。

然而到了最近幾年，芯片在每個節(jié)點(diǎn)處的微縮都變得更加昂貴和復(fù)雜，如今只有少數(shù)人能夠負(fù)擔(dān)得起在先進(jìn)節(jié)點(diǎn)上設(shè)計芯片的費(fèi)用。

芯片行業(yè)對于數(shù)字的高度敏感，越來越成為晶圓代工廠商以及芯片廠商的緊箍咒。對于處于金字塔尖的巨頭們來說，不無例外。

制程越先進(jìn)，面積越小，性能提升的同時功耗也會降低，一般來說，10nm對16nm，功耗大約會下降20％到30％。數(shù)字越小則代表了越先進(jìn)的技術(shù)水準(zhǔn)。

但無論是芯片廠商還是晶圓代工廠商，越往升級道路走，承擔(dān)的壓力就越大。去年全球四大純晶圓代工廠中，除了臺積電，GlobalFoundries、聯(lián)華電子和中芯國際每晶圓平均收入都在下降。

未來5年能有能力投入先進(jìn)制程的晶圓代工廠，只有臺積電、三星以及英特爾，激烈競爭之下，一定會讓定價壓力一路延燒到2022年為止。

傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的多元消耗

在多晶硅和柵極氧化物的界面處形成耗盡區(qū)，隨著器件繼續(xù)縮小，多晶硅耗盡變大，并且相當(dāng)于氧化物厚度的較大部分將限制柵極氧化物電容。多元消耗的負(fù)面影響是由于反型層電荷密度的降低和器件性能的降低。

對于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，隨著溝道長度的縮小，柵極不能完全控制通道，這是不希望看到的。其影響之一是從漏極到源極引起更多的亞閾值泄漏，這從功耗角度來看不是很好，柵極不能控制遠(yuǎn)離其的泄漏路徑，摻雜被插入通道中減少各種SCE。

新型量子遂穿晶體管誕生

英國晶圓代工廠Semefab生產(chǎn)了一種名為Bizen的新型量子隧穿晶體管和晶圓工藝樣品，可以大大縮短交貨時間、晶圓面積和工藝層，同時提高速度，降低功耗并提高CMOS的柵極密度。

Bizen是由位于英國諾丁漢的初創(chuàng)公司Search For The Next（SFN）開發(fā)的新型晶體管體系結(jié)構(gòu)，其使用了量子隧穿而不是絕緣柵。這種結(jié)構(gòu)由雙極和齊納二極管組合而成，它允許在標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝中僅在8層中產(chǎn)生邏輯，而對于傳統(tǒng)CMOS晶體管設(shè)計，則需要20到30層。

Semefab在蘇格蘭Glenrothes生產(chǎn)的1μm制程工藝的Bizen測試芯片將傳統(tǒng)CMOS晶體管設(shè)計的交貨時間從15周縮短到了3周，并且芯片面積是同一工藝下同類CMOS器件的三分之一。

Bizen結(jié)構(gòu)的本質(zhì)和應(yīng)用

Bizen是一種新穎的晶體管結(jié)構(gòu)，本質(zhì)上是一種PNP器件，其基極通過量子隧道結(jié)驅(qū)動，并且包括第二個隧道結(jié)內(nèi)部的自偏置晶體管。目前，這種結(jié)構(gòu)是基于硅的，但是能夠遷移到GaN和其他化合物半導(dǎo)體。

量子隧穿技術(shù)并不是什么新鮮事物，它已被廣泛應(yīng)用于NOR閃存芯片中。但是，在過去的兩年中，借助Bizen該技術(shù)已應(yīng)用于邏輯器件，并已由Semefab進(jìn)行生產(chǎn)、驗證。

通過仔細(xì)建模，可以將傳統(tǒng)的橫向和縱向雙極結(jié)構(gòu)集成在一起，以整合成Bizen，而不會造成額外的工藝復(fù)雜性，可見它的確具有顛覆該行業(yè)的潛質(zhì)。

盡管CMOS容易發(fā)生閂鎖和ESD，但是否有缺陷對CMOS來說并不是什么大問題，而且CMOS的低功耗特性，已經(jīng)通過了時間的考驗，并且普遍可靠。

但是CMOS比較復(fù)雜，并且與功率集成時更是如此，復(fù)雜性意味著更長的交貨時間和更高的成本，而Bizen恰好能夠解決這些問題。

Bizen晶體管結(jié)構(gòu)優(yōu)勢突出

Bizen的晶體管具有類似PNP的結(jié)構(gòu)，但基極有所不同。這是一種雙極機(jī)制，而不是像MOSFET那樣的單極機(jī)制。它不會像BJT那樣直接與基極接觸，且不會像MOSFET那樣被氧化物隔離。

取而代之的是到基極的隧道結(jié)，其中的摻雜很重，使得Bizen——雙極穩(wěn)壓管——保留了傳統(tǒng)雙極處理的優(yōu)點(diǎn)，但通過使用齊納量子隧道機(jī)制消除了缺點(diǎn)。

雖然也將Bizen的兩個電極稱為“集電極”和“發(fā)射極”，但其實該結(jié)構(gòu)是對稱的，可以在不更改功能的情況下交換這兩個端子。

第二個隧道結(jié)使Bizen偏置，以便在隧道端子開路時“接通”但不飽和。雖然這表示在操作過程中有連續(xù)的電流流到地面，但隧道電流通常僅為2nA —5nA，可以通過包括一個可斷開偏置隧道連接的單一結(jié)構(gòu)來引入低功耗“睡眠”模式。

使用Bizen晶體管構(gòu)建的任何邏輯都是基于電流的邏輯，而不是基于電壓的邏輯，并且，除了電阻器或偏置隧道結(jié)以外，不需要額外占用空間的的電流吸收器。

可以使用Bizen晶體管實現(xiàn)任意邏輯功能，并且只需4個工藝光刻掩模，而不是整個工藝的8個掩模即可實現(xiàn)邏輯芯片，這是因為可以在晶體管內(nèi)部建立晶體管到晶體管的連接。

Bizen的動態(tài)功率要低得多，因為它沒有與CMOS相關(guān)的所有浪費(fèi)功率的MOSFET柵極電容。當(dāng)前的方法允許進(jìn)行模擬計算，其中電流可以合并，并隨著時間的流逝而增長。在不使用SOI襯底的情況下，芯片可以分為8層。

隧穿晶體管的優(yōu)勢愈發(fā)明顯

晶體管是電子設(shè)備的基本組成元件，在過去40年間，科學(xué)家們主要通過將更多晶體管集成到一塊芯片上來提高電子設(shè)備的計算能力，但目前這條道路似乎已快走到盡頭。

業(yè)界認(rèn)為，半導(dǎo)體工業(yè)正在快速接近晶體管小型化的物理極限，現(xiàn)代晶體管的主要問題是產(chǎn)生過多的熱量。

電子隧穿設(shè)備商業(yè)化的歷史很長，量子力學(xué)隧穿的原理也已被用于數(shù)據(jù)存儲設(shè)備中，借用最新技術(shù)，未來，一個USB閃存設(shè)備或許能擁有數(shù)十億個TFET設(shè)備。

使用隧穿晶體管取代目前的晶體管技術(shù)并不需要對半導(dǎo)體工業(yè)進(jìn)行很大的變革，現(xiàn)有的很多電路設(shè)計和電路制造基礎(chǔ)設(shè)施都可以繼續(xù)使用。

CMOS制程仍是短期推進(jìn)微縮最佳途徑

要維持摩爾定律存續(xù)，唯一的重點(diǎn)在不斷提升晶體管密度，進(jìn)而可持續(xù)提供更佳的效能以及能源效率表現(xiàn)。

只要業(yè)者能夠持續(xù)在更小芯片空間內(nèi)放入更多具更佳能源效率的晶體管，就能持續(xù)讓摩爾定律存續(xù)，不論所采用實現(xiàn)這個晶體管密度持續(xù)提高的方式為何。

在此情況下，短期內(nèi)要能持續(xù)推動摩爾定律前進(jìn)，仍必須仰賴既有持續(xù)推出更先進(jìn)CMOS制程的技術(shù)，讓晶圓制造端能夠量產(chǎn)閘極長度更小的晶體管。以臺積電為例，目前的進(jìn)展是在蝕刻7納米晶體管，并朝5納米制程推進(jìn)。

結(jié)尾：

每一代都有賴全球半導(dǎo)體制程的不斷微縮演進(jìn)，帶動晶體管密度不斷微縮，以能推出效能及功耗更佳、符合新科技浪潮的更高運(yùn)算需求，進(jìn)而形成當(dāng)前全球科技產(chǎn)業(yè)供應(yīng)鏈現(xiàn)況，并創(chuàng)造一個愈來愈科技滲透的社會環(huán)境。

隨著行動時代發(fā)展至今逐漸趨于成熟、成長性逐漸趨緩，人工智能＋5G將會是下一階段推動半導(dǎo)體制程微縮前進(jìn)的主要推動力。