半浮柵電晶體

半浮柵電晶體（SFGT）是介於普通MOSFET電晶體和浮柵電晶體之間的電晶體。

簡介

它的英文名字是“SFGT，Semi-Floating-Gate Transistor”，簡稱SFGT.

性能和結構

半浮柵電晶體（SFGT）：結構巧 性能高

金屬-氧化物-半導體場效應電晶體（MOSFET）是目前積體電路中最基本的器件，工藝的進步讓MOSFET電晶體的尺寸不斷縮小，而其功率密度也一直在升高。我們常用的隨身碟等快閃記憶體晶片則採用了另一種稱為浮柵電晶體的器件。快閃記憶體又稱“非揮發性存儲器”。所謂“非揮發”，就是在晶片沒有供電的情況下，信息仍被保存不會丟失。這種器件在寫入和擦除時都需要有電流通過一層接近5納米厚的氧化矽介質，因此需要較高的操作電壓（接近20伏）和較長的時間（微秒級）。科學家們把一個隧穿場效應電晶體（TFET）和浮柵器件結合起來，構成了一種全新的“半浮柵”結構的器件，稱為半浮柵電晶體。

“矽基TFET電晶體使用了矽體內的量子隧穿效應，而傳統的浮柵電晶體的擦寫操作則是使電子隧穿過絕緣介質。”“隧穿”是量子世界的常見現象，可以“魔術般”地通過固體，好像擁有了穿牆術。“隧穿”勢壘越低，相當於“牆”就越薄，器件隧穿所需電壓也就越低。把TFET和浮柵相結合，半浮柵電晶體（SFGT）的“數據”擦寫更加容易、迅速。“TFET為浮柵充放電、完成‘數據擦寫’的操作，‘半浮柵’則實現“數據存放和讀出”的功能。”傳統浮柵電晶體是將電子隧穿過高勢壘（禁頻寬度接近8.9 eV）的二氧化矽絕緣介質，而半浮柵電晶體（SFGT）的隧穿發生在禁頻寬度僅1.1 eV的矽材料內，隧穿勢壘大為降低。打個比方，原來在浮柵電晶體中，電子需要穿過的是一堵“鋼筋水泥牆”，而在半浮柵電晶體中只需要穿過“木板牆”，“穿牆”的難度和所需的電壓得以大幅降低，而速度則明顯提升。這種結構設計可以讓半浮柵電晶體的數據擦寫更加容易、迅速，整個過程都可以在低電壓條件下完成，為實現晶片低功耗運行創造了條件。

套用領域

作為一種新型的基礎器件，半浮柵電晶體（SFGT）可套用於不同的積體電路。首先，它可以取代一部分的SRAM，即靜態隨機存儲器。SRAM是一種具有高速靜態存取功能的存儲器，多套用於中央處理器(CPU)內的高速快取，對處理器性能起到決定性的作用。傳統SRAM需用6個MOSFET電晶體才能構成一個存儲單元，集成度較低，占用面積大。半浮柵電晶體則可以單個電晶體構成一個存儲單元，存儲速度接近由6個電晶體構成的SRAM存儲單元。因此，由半浮柵電晶體（SFGT）構成的SRAM單元面積更小，密度相比傳統SRAM大約可提高10倍。顯然如果在同等工藝尺寸下，半浮柵電晶體（SFGT）構成的SRAM具有高密度和低功耗的明顯優勢。

其次，半浮柵電晶體（SFGT）還可以套用於DRAM領域。DRAM（Dynamic Random Access Memory），即動態隨機存儲器，廣泛套用於計算機記憶體。其基本單元由1T1C構成，也就是一個電晶體加一個電容的結構。由於其電容需要保持一定電荷量來有效地存儲信息，無法像MOSFET那樣持續縮小尺寸。業界通常通過挖“深槽”等手段製造特殊結構的電容來縮小其占用的面積，但隨著存儲密度提升，電容加工的技術難度和成本大幅度提高。因此，業界一直在尋找可以用於製造DRAM的無電容器件技術，而半浮柵電晶體（SFGT）構成的DRAM無需電容器便可實現傳統DRAM全部功能，不但成本大幅降低，而且集成度更高，讀寫速度更快。

半浮柵電晶體（SFGT）不但套用於存儲器，它還可以套用於主動式圖像感測器晶片(APS)。傳統的圖像感測器晶片需要用三個電晶體和一個感光二極體構成一個感光單元，而由單個半浮柵電晶體構成的新型圖像感測器單元在面積上能縮小20%以上。感光單元密度提高，使圖像感測器晶片的解析度和靈敏度得到提升。製造工藝和產業發展

製造工藝

不同於實驗室研究的基於碳納米管、石墨烯等新材料的電晶體，半浮柵電晶體（SFGT）是一種基於標準矽CMOS工藝的微電子器件。SFGT原型器件首先在復旦大學的實驗室中研製成功，而與標準CMOS工藝兼容的SFGT器件也已在國內生產線上成功製造出來。半浮柵電晶體（SFGT）兼容現有主流矽積體電路製造工藝，具有很好的產業化基礎。半浮柵電晶體（SFGT）並不需要對現有積體電路製造工藝進行很大的改動。