全环绕栅极晶体管将如何改变半导体行业

针对微芯片行业速度最快、最精密且最具能效的集成电路的争夺战在全球各大制造巨头之间愈演愈烈，这正是芯片制造商为何要将全新的晶体管设计结构集成到其最先进的节点中的原因。台积电、三星和英特尔都已宣布将在未来几年采用目前最受关注的晶体管结构——全环绕栅极晶体管。

今天我们就来解读一下这个全环绕栅极晶体管，看看它将给半导体行业带来那些影响？

什么是晶体管？

晶体管作为一种可放大或切换电信号的半导体器件，是现代电子产品的基本组成部分，包括芯片。如今的主流芯片包含了数十亿个晶体管。

晶体管如何工作？

晶体管是组成芯片的基本器件。所有晶体管互连，用作电流开关，通过打开或关闭这些栅极可以允许或阻止电流通过。这意味着每个晶体管可以处于两种不同的状态，存储两个不同的数字，即0和1。

一块芯片中包含数十亿个晶体管，代表着可以存储数十亿个0和1来发送、接收并处理大量数字数据。就像所有开关一样，晶体管需要做好三件事：打开时允许最大电流通过；关闭时不会泄漏电流；尽量提高开关速度以确保实现最佳性能。

什么是全环绕栅极晶体管？

全环绕栅极（GAA）晶体管是一种经过改进的晶体管结构，其栅极可从各个侧面接触沟道，有助于实现连续微缩。

全环绕栅极晶体管有哪些优势？

要了解全环绕栅极晶体管的优势，必须先知道晶体管结构如何从平面晶体管过渡到鳍式场效晶体管（FinFET），再到全环绕栅极晶体管。

平面晶体管 

Planar transistors

这种传统的晶体管之所以称为平面晶体管是因为晶体管的关键元素都放在一个二维平面上，包括栅极（通过沟道控制导电性）、源极（驱动电流流向沟道）以及漏极（电流离开沟道）。所有这些部件都是在半导体材料硅基板上形成的。这种晶体管概念在20世纪50、60年代实现了工业化，非常适合实现量产和微缩化。一块芯片所能包含的晶体管数量大幅增加，为摩尔定律以及整个芯片行业奠定了基础。

鳍式场效晶体管 

FinFET transistors

随着时间的推移，工程师发现将栅极提升到硅基平面以上——类似于露出水面的鱼鳍——可以提高对沟道电流的控制能力。很快，业界就从二维平面晶体管过渡到三维鳍式场效晶体管，简称FinFET。在三维鳍式场效晶体管中，栅极环绕硅鳍片的三个侧面，而非像平面晶体管那样覆盖其顶部。这会形成表面积更大的反转层，有助于栅极更好地控制流过晶体管的电流。这意味着更多电流通过、泄漏更少，且操作晶体管所需的栅极电压更低。

此外，三维鳍式场效的垂直鳍片形状让工程师能够在一块芯片中容纳更多晶体管，进一步推进了摩尔定律。最终，三维鳍式场效让芯片具有更好的性能、更低的功耗，在2010年代一直处于领先地位。

全环绕栅极晶体管 

Gate-all-around transistors

不过，三维鳍式场效晶体管技术迟早有一天会遭遇瓶颈，无法满足行业需要。随着台积电、三星和英特尔推出目前最先进的节点，三维鳍式场效晶体管已接近鳍片高度和并排鳍片数量极限，无法在不出现电气问题的前提下继续提高载流能力。

为进一步提升对晶体管沟道的控制，工程师找到一种用多层堆叠的水平纳米片取代垂直鳍片的方法，形成被称为全环绕栅极场效晶体管的新概念，简称GAA晶体管或GAAFET。全环绕栅极晶体管采用堆叠纳米片，这些独立的水平纳米片垂直堆叠，栅极在所有四个侧面包围沟道，有助于进一步减少漏电、增加驱动电流。这意味着较强的电信号能够通过晶体管并在晶体管之间传递，从而提升了芯片性能。此外，芯片制造商现在可以根据芯片设计灵活地改变纳米片宽度。具体而言，宽的纳米片能够提供更大的驱动电流和更好的性能，而窄的纳米片则可优化功耗。

对日常生活带来哪些影响？

全环绕栅极晶体管有望在未来几年成就最先进的芯片设计。由于芯片制造商可以控制这种晶体管的制造成本，有助于以合理的价格实现先进芯片的量产，同时让新型电子产品、5G连接、游戏、图形学、AI解决方案、医疗技术、汽车技术等领域实现性能提升。

此外，全环绕栅极晶体管具有更好的性能、更少的泄漏和更低的能耗，能够替代旧的晶体管结构，成为更具可持续性、更环保的理想选择。

审核编辑：汤梓红