在晶體管發(fā)明 75 周年之際,，我想回答兩個問題：世界需要更好的晶體管嗎,？如果是這樣,，他們會是什么樣子？

　　我會爭辯說,，是的,，我們將需要新的晶體管，而且我認為我們今天已經(jīng)有了一些關于它們會是什么樣子的暗示,。問題在于我們是否有意愿和經(jīng)濟能力去制造它們,。

　　我相信晶體管現(xiàn)在是并將繼續(xù)是應對全球變暖影響的關鍵。氣候變化可能會給社會,、經(jīng)濟和個人帶來巨變,，因此需要能夠賦予我們?nèi)祟惛竽芰Φ墓ぞ摺?/p>

　　半導體可以像其他技術一樣提高人類的能力。根據(jù)定義,，所有技術都可以提高人類的能力,。但對他們中的大多數(shù)人來說，自然資源和能源的限制使得數(shù)量級的改善值得懷疑,?；诰w管的技術是一個獨特的例外，原因如下：

　　1隨著晶體管的改進,，它們使新的能力成為可能,，例如計算和高速通信、互聯(lián)網(wǎng),、智能手機,、內(nèi)存和存儲,、機器人技術,、人工智能，以及其他還沒有人想到的東西,。

　　2這些能力具有廣泛的應用,，它們改變了所有技術、行業(yè)和科學,。

　　半導體技術的增長不像其他技術那樣受到其材料和能源使用的限制,。IC 使用相對少量的材料。因此，它們變得越來越小,，它們使用的材料越少,，它們變得越快、越節(jié)能,、越有能力,。

　　3從理論上講，信息處理所需的能量仍然可以減少到今天所需能量的千分之一以下,。雖然我們還不知道如何達到這種理論效率,，但我們知道將能源效率提高一千倍并不違反物理定律。相比之下,，大多數(shù)其他技術（例如電機和照明）的能源效率已經(jīng)達到其理論極限的 30% 到 80%,。

　　晶體管：過去、現(xiàn)在和未來

　　我們將如何繼續(xù)改進晶體管技術在短期內(nèi)是相對清楚的,，但離今天越遠,，它就會變得越模糊。在短期內(nèi),，您可以通過查看最近的過去來瞥見晶體管的未來,。

　　從 1960 年到 2010 年左右，基本的平面 (2D) MOSFET 結構一直保持不變,，直到進一步增加晶體管密度和降低器件功耗變得不可能,。我（代表本文作者胡正明）在加州大學伯克利分校的實驗室早在十多年前就看到了這一點。我們在 1999 年報道了平面晶體管的后繼者 FinFET 的發(fā)明,。FinFET 作為第一個 3D MOSFET,，將扁平而寬的晶體管結構變?yōu)楦叨木w管結構。好處是在更小的占地面積內(nèi)獲得更好的性能,，就像在擁擠的城市中多層建筑相對于單層建筑的優(yōu)勢一樣,。

　　FinFET 也就是所謂的薄體（thin-body）MOSFET，這一概念繼續(xù)指導新設備的開發(fā),。它源于這樣一種認識,，即電流不會通過硅表面幾納米內(nèi)的晶體管泄漏，因為那里的表面電勢受到柵極電壓的良好控制,。FinFET 牢記這種薄體概念,。該器件的主體是垂直的硅鰭片，被氧化物絕緣體和柵極金屬覆蓋,，在強柵極控制范圍之外沒有留下任何硅,。FinFET 將漏電流降低了幾個數(shù)量級，并降低了晶體管工作電壓,。它還指出了進一步改進的路徑：進一步降低車身厚度,。

　　FinFET 的鰭片隨著每個新的技術節(jié)點變得越來越薄和越來越高。但這種進步現(xiàn)在變得難以維持。因此業(yè)界正在采用一種新的 3D 薄體 CMOS 結構,，稱為環(huán)柵 (GAA),。在這種新結構上，一堆半導體帶構成了薄體（a stack of ribbons of semiconductor make up the thin body）,。

　　MOSFET 結構的每一次演變都旨在通過柵極 [粉紅色] 更好地控制硅中的電荷,。電介質(zhì) [黃色] 防止電荷從柵極移動到硅體 [藍色]。

　　3D 薄體趨勢將從這些 3D 晶體管延續(xù)到 3D 堆疊晶體管,、3D 單芯片（Monolithic）電路和多芯片封裝,。在某些情況下，這種 3D 趨勢已經(jīng)達到了頂峰,。例如,，電荷陷阱（charge-trap）存儲器晶體管陣列的規(guī)律性使 NAND 閃存成為第一個從 2D 電路過渡到 3D 電路的 IC。自 2007 年東芝首次報告 3D NAND 以來,，堆疊層數(shù)已從 4 層增長到超過 200層,。

　　單芯片 3D 邏輯 IC 可能會適度起步，堆疊 CMOS 反相器的兩個晶體管以減少所有邏輯門的“占地面積”,。但是堆棧的數(shù)量可能會增加,。通往 3D IC 的其他途徑可能采用將額外的半導體薄膜層（例如硅、硅鍺或砷化銦鎵）轉移或沉積到硅晶片上,。

　　薄體趨勢可能會在二維半導體中達到其最終終點,，其厚度以原子為單位。例如,，二硫化鉬分子（Molybdenum disulfide molecules）既天然又薄又相對較大,，形成可能不超過三個原子寬但具有非常好的半導體特性的二維半導體。2016 年,，加利福尼亞州和德克薩斯州的工程師使用二維半導體分子二硫化鉬和碳納米管薄膜展示了具有關鍵尺寸的 MOSFET：柵極長度僅為 1 納米,。即使柵極短至 1 nm，晶體管漏電流也僅為每毫米 10 毫微安,，可與當今最好的生產(chǎn)晶體管相媲美,。

　　可以想象，在遙遠的未來,，整個晶體管可能被預制為一個分子（molecule）,。這些預制構件可能會通過稱為定向自組裝 (DSA：directed-self-assembly) 的制程被帶到它們在 IC 中的精確位置。要理解 DSA,，回顧一下 COVID 病毒使用其尖峰來尋找并化學?？吭谔囟ㄈ祟惣毎砻娴拇_切位置可能會有所幫助,。在 DSA 中,，對接點（docking spots）、“尖峰”（spikes）和晶體管cargo都是經(jīng)過精心設計和制造的。最初的對接點（docking spots）可以通過在基板上進行光刻來創(chuàng)建,，但是額外的對接點（docking spots）可能會在后續(xù)步驟中作為 cargo 引入,。如果僅在制造過程中需要而在最終產(chǎn)品中不需要，則可以通過加熱或其他方式去除一些 cargo ,。

　　除了使晶體管更小之外,，我們還必須不斷降低它們的功耗。在這里,，我們可以看到通過使用所謂的負電容場效應晶體管 (NCFET：negative-capacitance field-effect transistors) 實現(xiàn)了數(shù)量級的減少,。這些需要在 MOSFET 的柵極堆疊中插入納米薄的鐵電材料層，例如氧化鉿鋯（hafnium zirconium oxide）,。由于鐵電體包含自己的內(nèi)部電場,，因此打開或關閉設備所需的能量更少。薄鐵電體的另一個優(yōu)點是可以利用鐵電體的容量來存儲其電場狀態(tài),，從而將存儲和計算集成在同一設備中,。

　　在某種程度上，我所描述的設備是從現(xiàn)有趨勢中產(chǎn)生的,。但未來的晶體管可能與今天的晶體管具有截然不同的材料,、結構和工作機制。例如,，納米機電開關（nanoelectromechanical switch）是對過去幾十年機械繼電器的回歸,，而不是晶體管的延伸。它不依賴于半導體物理學,，而是僅使用金屬,、電介質(zhì)以及施加不同電壓的緊密間隔的導體之間的力。

　　所有這些例子都在幾年前用實驗證明了,。然而,，與以往的半導體技術突破相比，將它們投入生產(chǎn)需要更多的時間和精力,。

　　走向未來

　　我們能否實現(xiàn)這些壯舉,？過去的一些教訓表明我們可以。

　　第一個教訓是晶體管技術的進步并不平坦或順利,。1980 年前后,，每顆芯片的功耗上升到了令人痛苦的地步。采用 CMOS,、取代 NMOS 和雙極技術后——工作電壓從 5 伏逐漸降低到 1 伏——為該行業(yè)帶來了 30 年或多或少的直截了當?shù)倪M步,。但是，功耗再次成為一個問題,。2000 年至 2010 年間,，有思想的研究人員預測每平方厘米 IC 產(chǎn)生的熱量很快就會達到核反應堆堆芯的熱量,。3D薄體FinFET和多核處理器架構的采用避免了危機，迎來了又一個相對平穩(wěn)的發(fā)展時期,。

　　晶體管技術的發(fā)展史可謂一座座山峰攀登,。只有當我們到達一座山頂時，我們才能看到遠處的景色,，并繪制出一條路線來攀登下一座更高更陡的山峰,。

　　第二個教訓是，半導體產(chǎn)業(yè)的核心力量——納米加工——非常強大,。歷史證明,，只要有足夠的時間和經(jīng)濟激勵，只要該想法不違反科學規(guī)律,，該行業(yè)就能夠?qū)⑷魏蜗敕ㄗ優(yōu)楝F(xiàn)實,。

　　但該行業(yè)是否有足夠的時間和經(jīng)濟激勵來繼續(xù)攀登更高更陡峭的山峰并不斷提高人類的能力？

　　這是一個公平的問題,。隨著晶圓廠行業(yè)資源的增長,，技術發(fā)展的山峰增長得更快。終有一天,，沒有一家晶圓廠公司能夠登上山頂,，看清前方的道路。那么會發(fā)生什么,？

　　所有半導體晶圓廠（包括獨立的和像英特爾這樣的綜合性公司）的收入約占半導體行業(yè)收入的三分之一,。但晶圓廠僅占半導體技術所帶來的 IT、電信和消費電子行業(yè)總收入的 2%,。然而,，晶圓廠行業(yè)承擔著發(fā)現(xiàn)、生產(chǎn)和營銷新晶體管和納米制造技術的大部分重擔,，這需要改變了,。

　　為了讓該行業(yè)生存，晶圓廠行業(yè)相對貧乏的資源必須優(yōu)先考慮晶圓廠建設和股東需求,，而不是科學探索,。雖然晶圓廠行業(yè)正在延長其研究時間范圍，但它也需要其他人來承擔責任,。人類長期解決問題的能力值得有針對性的公眾支持,。該行業(yè)需要長期探索性研究的幫助，公共資助,，在類似貝爾實驗室的環(huán)境中,，或者由大學研究人員提供，這些研究人員具有長期的職業(yè)生涯,，并且在物理,、化學,、生物學和算法方面的知識比企業(yè)研究更廣泛和更深入目前允許。

　　這樣,，人類將繼續(xù)尋找新的晶體管,，并獲得應對未來幾個世紀挑戰(zhàn)所需的能力,。

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