６０年荣辱：晶体管的前世今生|荣辱二十年

　　 　　（记者 陈斌）从1947年12月16日诞生之日起，晶体管伴随电子产业走过了60年。60年中有辉煌，也有沮丧。在60年节点展望未来，半导体工业的前景依然光明。
　　
　　魔幻开端
　　
　　1947年12月16日，威廉•肖克利（William Shockley）、约翰•巴顿（John Bardeen）和沃特•布拉顿（Walter Brattain）成功地在贝尔实验室制造出世界上第一只晶体管。这三人也因为此项发明而获得1956年的诺贝尔化学奖。
　　晶体管的基本工作原理很简单: 电子在源极和漏极之间流动，根据位于顶端的栅极电压的高低来控制其通断，接通状态为“1”，断开为“0”。第一只晶体管是点接触晶体管（point-contact transistor），其主要作用是放大电信号。晶体管开始逐渐在收音机、电话中代替体积比晶体管庞大得多的真空电子管。
　　1950年，威廉•肖克利开发出双极（N极和P极）晶体管（Bipolar Junction Transistor），就是现在通行的标准晶体管。从那天起，尽管制造晶体管的材料和工艺技术进步了许多，但晶体管的架构一直没有发生根本性的变化。
　　尽管晶体管早期最著名的应用是诸如晶体管收音机这样的电子设备，但真正让晶体管在人类历史上占据重要地位的是其作为集成电路（IC，通俗的称呼是芯片）中的开关―简单的“0”和“1”创造了奇妙而丰富多彩的电子世界。在世界上第一款便携式晶体管收音机诞生时，其内部仅仅包含4个锗晶体管，而目前世界上最先进芯片中含有的晶体管数量已经超过了10亿只。
　　转机出现在1958年，德州仪器的Jack Kilby和仙童半导体公司的Robert Noyce（后联合摩尔创立英特尔）发现集成电路中可以容纳大量晶体管。晶体管组装开始从人工转向自动化，再加上大规模经济制造方法（CMOS工艺）的诞生，晶体管密度的指数级增长潜力开始得以发挥。晶体管迅速占领了电子设备的智能核心―芯片。
　　1965年，戈登•摩尔在《Electronics Magazine》上发表文章提出了著名的摩尔定律，量化了晶体管这种神奇的魔力。
　　
　　终极挑战
　　
　　摩尔定律揭示的指数级增长定律是建立在不断缩小晶体管的尺寸和体积基础上的。在这场每24个月左右将晶体管体积缩小一半的小型化竞赛中，晶体管的关键部件之一即将达到极限: 栅极和源极、漏极间电子流经通道之间的绝缘层―SiO2层的厚度在到达90纳米节点以来，其物理尺寸一直保持不变。因为其大小已经为1.2纳米，仅相当于5个原子的厚度（原子是不可分的）。
　　越来越薄的绝缘层使漏电流越来越明显，芯片发热量增大，晶体管工作得越来越不稳定。尽管目前漏电流还在可控范围内，但要付出的代价可想而知。
　　事物往往具有两面性。固有晶体管的物理极限即将来临，促使人们从另一个角度思考问题: 既然用SiO2不能解决问题，能不能用一种对电荷具有更强吸附能力（k值更高）的材料来替换它？拥有更高“k”值的材料可以和目前的二氧化硅做得一样厚，甚至更厚些――同时保持比SiO2更理想的属性，可以大幅减少漏电量。
　　业界从多年以前就一直在思考这个问题，终于在45nm时代取得了突破。英特尔用高-k铪基栅介质来取代传统的SiO2，而为了解决现有栅极与新的栅介质不兼容的问题，还采用了一种新的金属栅极。新的晶体管技术使源极－漏极漏电流降低5倍以上，栅极漏电流减少了10多倍。降低漏电流10倍，相当于将绝缘层的厚度“增加”了10倍。在新的晶体管材料基础上，一场新的“缩小”工程将继续延续下去。
　　采用高-k铪基栅极介质和金属栅极的想法是业界集体智慧的结晶―IBM日前宣布在其32nm工艺中也将采用这一组合。而日本的一些半导体企业也将先后跨入这一阵营。
　　
　　晶体管的未来
　　
　　尽管硅的摩尔定律可能将在未来10年遭遇物理极限，但是这并不意味着晶体管将寿终正寝。在经历了多年Scale Up（向上）成长之后，Scale Out（向外）成长将成为晶体管未来发展的一条主线。新的晶体管结构、互联技术、半导体材料将在多个维度上延长其生命力。
　　毫无疑问，晶体管的尺寸不可能永无休止地缩小下去。目前的晶体管依然保持其从诞生开始即采用的平面结构―源极-漏极和栅极位于同一个水平面上，漏电流问题始终是难以根除的难题。而下一个晶体管技术的革命很可能是从平面转向立体―这种垂直通道晶体管技术被称为三栅极(tri-gate)晶体管，俗称三维晶体管。三维晶体管可以通过晶体管顶门和垂直的两个侧门发送电信号。这一设计在不增加更多空间的情况下将电子信号的传输空间扩大了三倍。借助这一优势，三门晶体管与当前的平面晶体管相比性能更为卓越，漏电流也将大幅减小。可以预想，一场新的竞赛又将上演。
　　另一方面，从2001年开始，铜互联取代铝互联，这可以看做是半导体工业里程碑式的事件。新的碳纳米线和碳纳米管有望在不远的将来取代铜互联而树立半导体工业的另一座里程碑。由于碳纳米管比金属的导电性能好得多，而且纳米管也比金属连线细得多，因此纳米管有可能解决晶体管互连难题。IBM和其他一些公司都已经研发出碳纳米管。英特尔也已经用碳纳米管开发出了原型互连线，用以取代在芯片中连接晶体管的微细铜金属线，并测量了原型互连线的连接效果，为碳纳米管的实用化积累了经验。
　　
　　摩尔定律的现实意义
　　
　　尽管业界在晶体管技术方面取得了巨大的进步，摩尔定律依然面临着技术可行性和经济性两方面的严峻挑战。
　　从反面来看，不断攀升的制造成本、材料和工艺技术难题确实让人们对其经济性不断产生质疑，全球半导体制造业务的集中趋势也印证了这一担忧。
　　不过从今天看来，虽然硅的摩尔定律越来越接近其物理极限，但新的思想方法和技术有可能达到与单纯缩小晶体管体积方法异曲同工的目的: 不断提升芯片的性能，增加功能，降低功耗和成本。
　　根据市场研究公司Gartner最新发布的报告，2007年预计全球芯片销售额将达2700亿美元，比2006年增长3%。根据预测，消费市场将成为推动芯片行业发展的主要推动因素。而这些新兴市场恰恰是45nm以及更先进制造工艺进步最大的受益者。
　　经过半个多世纪的发展，计算机从诞生起到现在性能不知提升了多少倍，而人类利用计算机的能力更是得到了前所未有的提高。
　　半导体产业的发展已经单纯从性能增长逐渐转变为芯片功能的增加，芯片的应用领域因而也大大丰富。同时也应该看到，大容量视频的实时处理、复杂的数据处理、语言翻译、生物识别等新型应用正对计算机和芯片的能力提出更高的要求。晶体管的技术进步和摩尔定律的成立依然有积极的指向意义。