新型 GAA 晶体管利用 InGaOx 薄膜提高迁移率

晶体管被认为是一种远远领先于时代的技术。 1947 年发明沃尔特-布拉坦（Walter Brattain）、约翰-巴丁（John Bardeen）和威廉-肖克利（William Shockley）凭借这一技术突破获得了诺贝尔物理学奖。自晶体管发明以来，它为我们身边的技术带来了许多翻天覆地的变化。

2008 年至 2019 年期间 功率晶体管的销售 从 100 亿美元增至 186 亿美元。这种稳步增长反映了对晶体管的坚定需求，表明了该技术的潜力及其作为解决方案的内在优势。 

从本质上讲，晶体管是一种能放大或切换电子信号的半导体器件。它们可以是双极型（也称为双极结晶体管或 BJT）、场效应晶体管（FET）和绝缘栅双极晶体管（IGBT）。 

第一种是双极晶体管，同时使用电子和空穴作为电荷载体。场效应晶体管是一种单极器件，其主要载流路径中没有 pn 结，而 IGBT 由一个电压驱动的 MOSFET 和一个大电流晶体管组成。 

虽然上述是一些固定的类别或传统的细分市场，但晶体管的潜力随着时间的推移不断扩大。市场报告显示，下一代晶体管市场将蓬勃发展。按类型划分，这些晶体管可包括异质结双极晶体管（HBT）、高电子迁移率晶体管（HEMT）、金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）等。 

这些晶体管采用氮化镓（GaN）、砷化铟（InAs）、磷化铟（InP）、砷化镓（GaAs）等多种材料组合。它们应用广泛，包括移动电话、微波系统、卫星和航空航天。 

今天，我们将重点关注这些下一代晶体管。我们从旨在解决更大问题的研究开始。

利用 InGaOx GAA 结构扩展硅晶体管

随着电子产品日趋小型化，迫切需要缩小硅晶体管的尺寸。东京大学工业科学研究所领导的一个研究小组迎难而上。据报道，该团队将在 2025 年超大规模集成电路研讨会上发表论文，详细介绍他们取得的突破。该团队 可以废除硅 他们选择用掺镓氧化铟（InGaOx）来制造晶体管，这种材料可以构造成晶体氧化物，其有序的晶格非常适合电子迁移率。 

据该研究的第一作者 Alan Chen 称，研究小组希望他们的 "晶体氧化物晶体管采用'全环绕栅极'结构，即开启或关闭电流的栅极环绕着电流流动的沟道"。据 Chen 称，该团队可以将 "栅极完全包裹在沟道周围"，并提高 "与传统栅极相比的效率和可扩展性"。

该研究的资深作者 Masaharu Kobayashi 在解释氧化铟这种在所有这些方面都发挥了重要作用的化合物的特性时，有如下一段话、

"氧化铟含有氧空位缺陷，这种缺陷会促进载流子散射，从而降低设备的稳定性"。

研究人员在氧化铟中掺入镓，以抑制氧空位，从而提高晶体管的可靠性。

研究小组利用原子层沉积技术，在全栅极晶体管的沟道区一次一层地涂覆 InGaOx 薄膜，取得了重大的科学和技术突破。随后，研究小组对薄膜进行加热，将其转化为亟需的晶体结构，以促进电子迁移。 

 全栅极 (GAA) MOSFET：设计与优势

如果非要挑出这项研究最关键的成就，那就是能够制造出全栅 "金属氧化物场效应晶体管"（MOSFET）。 

这是因为栅极全方位 MOSFET 的迁移率高达 44.5 cm2/Vs。该研究小组声称，其器件 "在外加应力下稳定工作近三个小时，显示出良好的可靠性"。研究小组还称，其 MOSFET 的性能优于早先报道的类似器件。 

我们稍后将进一步深入探讨栅极环绕晶体管，但有必要总结一下这项研究的意义以及它对该领域进一步科学研究的影响。早期报告显示，这项研究可以为设计同时考虑材料和结构重要性的晶体管开辟新的途径。这项研究将有助于开发出值得信赖的高密度电子元件，以满足计算密集型解决方案的需要，如大数据和人工智能中使用的解决方案。 

我们实际上生活在人工智能和大数据时代。毫无疑问，这项研究将为构建更有效的解决方案铺平新的道路。 然而，全能门晶体管所覆盖的领域可能比现在要大得多。

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是什么造就了 GAA 晶体管的卓越性能？

GAA 或全栅极晶体管采用先进的晶体管结构，栅极可以与沟道四面接触。换句话说，这些晶体管使连续扩展成为可能。 

其技术独创性的亮点在于堆叠的水平薄片，这些薄片可以改善对晶体管通道的控制。这些薄片是叠层纳米片。由于独立的水平片是垂直堆叠的，因此栅极可以四面环绕通道，从而减少漏电并增加驱动电流。因此，通过晶体管和晶体管之间的信号传递得到了改善。这种出色的信号通过能力提高了芯片的性能，并使芯片制造商能够灵活地尝试纳米片的宽度，从而为特定的芯片设计提供最佳的薄片。 

纳米片在许多方面都很高效。宽纳米片可以获得更高和更好的驱动电流，而窄纳米片则可以优化功耗。这种多功能性使 GAA 晶体管在不久的将来成为同类产品中最尖端的产品。

此外，这些晶体管还具有成本效益。它们的制造成本低廉，有助于保持先进芯片的大规模生产。最终，这将有助于提高我们周围一切电子产品的性能，包括 5G 连接、游戏、图形、人工智能解决方案、医疗技术、汽车技术等。 

投资 GAA 晶体管

虽然 GAA 近来取得了长足的进步，但科学界对它的兴趣却由来已久。记录显示，1986 年首次展示了 GAA 技术。然而，直到 2022 年，三星公司才首次在 3 纳米处理器节点上制造出首款支持 GAA 的芯片。三星将其 GAA 芯片称为 多桥通道场效应晶体管（MOSFET）与使用通道较窄的纳米线的 GAA 技术相比，利用通道较宽的纳米片可实现更高的性能和更高的能效。

从那时起，许多公司都在研究它。然而 英特尔 (INTC +3.65%)特别是，GAA 晶体管技术目前还没有真正投入生产，因此它看起来是一个可靠的选择。他们采用 RibbonFET 和 PowerVia 的 18A 工艺已经显示出性能和效率的真正提升，而且在设计和制造方面得到了众多合作伙伴的支持。

更有趣的是，英特尔不仅设计芯片，还在美国制造芯片。因此，英特尔拥有发展势头、规模和清晰的路线图。随着人工智能和高性能计算的快速发展，他们在这一领域的地位感觉比其他几家公司更有优势。

英特尔 (INTC +3.65%)

RibbonFET 是英特尔首款全栅极 (GAA) 晶体管与其技术前身 FinFET 相比，英特尔 RibbonFET 的每瓦性能提高了 15%。2021 年，英特尔推出了英特尔 18A，即 RibbonFET 全栅极（GAA）晶体管技术。 

除了每瓦性能提高 15%，该解决方案还承诺芯片密度比英特尔 3 工艺节点提高 30%。英特尔公司称，这是最早在北美生产的 2 纳米以下先进节点，为客户提供了一种弹性供应选择。

该解决方案以业界首创的 PowerVia 背面功率传输技术为骨干。它有助于将密度和电池利用率提高 5% 至 10%，并减少电阻式功率传输下降，从而将 ISO 功率性能提高 4%。与正面电源设计相比，它还大大降低了固有电阻 (IR) 下降。

如前所述，GAA 晶体管技术的应用帮助英特尔实现了对电流的精确控制，使芯片元件进一步微型化，同时减少了功率泄漏，而这正是密度越来越高的芯片所面临的一个重要问题。

Omni MIM 电容器有助于减少电感功率下降，增强芯片的稳定运行。英特尔认为，这种增强功能对于生成式人工智能等现代工作负载至关重要，因为这些负载需要突然而密集的计算能力。

英特尔的 GAA 晶体管技术得到了行业标准 EDA 工具和参考流程的全面支持，实现了从其他技术节点的无缝升级。英特尔声称，其客户有可能比其他背面电源解决方案更早开始使用 PowerVia 进行设计。

整个生态系统都参与了这项尖端技术的开发，共有超过 35 家行业领先的生态系统合作伙伴参与其中，涵盖 EDA、IP、设计服务、云服务以及航空航天和国防领域。 

英特尔不断发展 18A 系列解决方案。

英特尔有 18A-P 和 18A-PT。18A-PT 专为人工智能和高性能计算（HPC）而设计，是一个实质性的新增产品。 客户构建下一代 3DIC 设计。该解决方案具有更新的后端金属堆栈、直通 TSV、芯片到芯片 TSV 以及先进的混合键合接口 (HBI) 功能，间距处于业界领先水平。 

英特尔称，该解决方案可显著增强高级工作负载的可扩展性和集成性，使客户能够推动人工智能和高性能计算的发展。 

除了 18A-PT 之外，英特尔还推出了 18A-P。这种相对较早的变体基于英特尔 RibbonFET 和 PowerVia 技术的第二次实施，可提供下一代性能和更高的能效。 

该解决方案采用了全新的低阈值电压和漏电优化器件，以及全新的细粒度带状宽度，实现了显著的每瓦性能提升，并改善了晶体管性能。 

英特尔 GAA 晶体管技术的实际应用案例

对于高性能计算和人工智能应用，英特尔的解决方案可提供卓越的通道控制，以高驱动电流和可扩展性提高每瓦晶体管性能。

RibbonFET 的面积缩小使更小的芯片具有更多的功能，有利于小型医疗和工业传感器的发展。

它通过满足移动应用的需求，帮助打造精密的移动和宽带处理器。其先进的制造技术有助于确保一致、可靠的性能，而微调的阈值电压可提供卓越的能效，从而全面提高移动设备的电池寿命。 

事实证明，该解决方案还能有效满足航空航天和国防领域对计算能力的要求，以及对尺寸、重量、功耗和成本（SWaP-C）的严格要求。 

英特尔 18A 解决方案具有较低的 IR 下降，可在不影响性能的情况下为功耗受限的应用提供所需的效率。 

英特尔的 GAA 技术在其解决方案中集成了所有这些增强功能和特性，堪称变革性的技术。它的性能符合人们对英特尔这个技术创新强国的期望。 

2025 年 1 月，英特尔公布第四季度营收为 143 亿美元，同比下降 71 亿美元，全年营收为 531 亿美元，同比下降 21 亿美元。

英特尔有望继续推进其 GAA 创新，并取得新的里程碑式进展，而围绕 GAA 晶体管的整体研究也在如火如荼地进行。 

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GAA 的未来可能性 

该领域的另一个行业领导者三星公司认为，GAA 晶体管将很快进入需要高性能和低功耗的下一代半导体应用领域，从人工智能到大数据、自动驾驶和物联网。

2024 年发表的研究论文¹, 研究人员对作为现代低功耗和高性能电子应用可行解决方案的栅极全方位场效应晶体管（GAA FET）进行了研究。研究人员进行了广泛的实验分析，包括制造、电气表征和仿真建模，以深入研究 GAA FET 的内在电气特性和性能指标。

他们严格研究了多个关键参数，如阈值电压、漏电流、阈下摆动和跨导，以评估该晶体管在低功耗应用中的运行效率。此外，他们还开发并验证了先进的仿真模型，以准确预测 GAA FET 的行为，促进未来高性能计算的设计改进。在得出结论的同时，研究还强调了 GAA FET 的优势特性，并将其定位为满足低功耗和高性能计算要求的理想候选器件。 

另一项重要研究 2022 年出版，研究了 GAA 纳米片 FET 工艺的机遇。研究人员称，该领域的许多参与者都 已经开始考虑纳米片 FET 之外的问题。他们声称，垂直传输场效应晶体管（VTFET）和堆叠晶体管是延续摩尔定律的最主要竞争者。

研究人员还研究了阻碍全栅极纳米片晶体管技术的加工难题。他们将挑战分为四大类：

• 自加热
• 制造过程中的机械稳定性
• 设备变异性
• 硅-硅-锗混合物

研究人员强调，尽管硅基金刚石等新型基底可以改善自加热效应，但这种方案不太可能在大批量制造中采用。 

他们承认，纳米片具有设计灵活性，而纳米片的长宽比和内部间隔物的机械完整性对这些纳米片的整体稳定性起着至关重要的作用。他们强调了优化器件可变性的必要性，器件可变性可能来自多个方面，包括但不限于线边缘粗糙度、栅极边缘粗糙度、非均匀工作函数金属沉积以及随机掺杂波动。 

他们特别谈到了 Si-SiGe 在沟道释放步骤之前，纳米片的堆栈本身在经过多次热循环时容易受到热混合的影响。不过，他们证实，只要 SiGe 沟道能选择性地蚀刻到 Si 沟道片上，且 Si 片不会因 Si-SiGe 混杂而过度蚀刻，这种影响是可以容忍的。

尽管所有这些挑战依然存在，但我们必须从根本上理解为什么 GAA 晶体管在晶体管技术的发展轨迹上具有开创性意义。GAA 晶体管优于其前身 FinFET，因为它的沟道是水平的，因此解决了许多与漏电流相关的难题。其次，由于 GAA 晶体管的四面都被栅极包围，因此有助于改善晶体管的结构。与 FinFET 工艺相比，改进后的结构能更精确地控制电流。 

除英特尔和三星等公司外，该领域的领军企业台积电也开始在其第一代 N2 工艺技术中采用 GAA 晶体管。尽管 FinFET 半导体工艺多年来一直是制造标准，但随着 GAA 技术的出现，它的性能得到了显著提升。

专家们认为，GAA 工艺技术也是硅光刻技术的一个重要里程碑。他们期待 GAA 接过接力棒，将半导体行业从 FinFET 工艺技术的起点提升到硅光刻技术的新高度。  

研究人员还对负电容 GAA 场效应晶体管取得的进展表示乐观。 他们强调，GAA-场效应晶体管由于其环绕式栅极结构，它具有比 FinFET 更优越的栅极控制能力和更高的 SCE 抑制能力，这将使其在 3 纳米及更高技术节点的半导体市场中占据主导地位。 不过，他们提醒说，尽管 GAA-FET 显示出其作为减少 SCE 潜在方案的优越性，但功耗的上升不容忽视。

另一项研究促使科学界将目光投向更广阔的领域 晶体管级创新，并认识到互连和功率传输领域创新的重要性。他们提到了电源传输领域的一项建议，即 "埋入式电源轨（BPR）"，该建议提出将电源轨移到晶体管器件的下方，从而为正面提供灵活布线的区域，并减少导体拥挤。然而，这也带来了一些技术挑战，包括背面图案化、正面结构与背面结构的对齐，以及晶片背面的晶片减薄。

总之，与其他创新领域一样，晶体管也需要经历不断的试验和失误，才能日臻完善。不过，就目前而言，GAA 已取得了可喜的成果，并有可能在不久的将来一统天下。

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参考研究：

^{1.Reddy Hemantha, G., Priya, A. S., Suman, J. V., Rao, T. V. J., Priyadarshini, G. M. A., & Mallam, M. (2024, May).用于低功耗和高性能应用的全栅极场效应晶体管（GAA FET）的表征和建模。在 2024 年国际健康与工程科学现代技术进展会议（AMATHE）上。https://doi.org/10.1109/AMATHE61652.2024.10582059arge in solid electrolytes. ACS 能源通讯, 10(3), 1255-1257. https://doi.org/10.1021/acsenergylett.4c03398}