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GAA芯片技术是什么 什么是GAA芯片技术

2020-10-26 15:33:14    来源:IT之家

作为取代 3D FinFET 晶体管的全新技术,其实 GAA 环绕式栅极技术晶体管和 3D FinFET 有着千丝万缕的联系,因此我们需要从 3D FinFET 晶体管说起。

在《台积电 5 纳米吊打英特尔 10 纳米?别纠结了,这只是 “数字游戏”》一文中,其实IT之家已经为大家介绍过 3D FinFET 晶体管,这里再简单回顾一下。

其实所谓晶体管,用通俗易懂的话来讲,就是用半导体材料制作的电流开关结构。左边一个源极(半导体),右边一个漏极(半导体),中间加个栅极(金属),让栅极来控制电流从源极到漏极的通断。

在过去,栅极和源极、漏极之间接触的地方是一个平面,形状差不多是一个矩形,栅极正是依靠这个接触面来对源极和漏极的电流进行控制。

可是,晶体管越做越小,这个接触面的宽度(其实就是栅极的宽度)也越来越窄,当窄到一定程度时(大概是 20nm 左右),栅极对电流的控制力就会大幅减弱。

控制力减弱,就会导致源极的电流穿透栅极,直接和漏极导通,这种情况叫漏电。很显然,漏电不是个好事情,它会导致芯片发热量急剧上升。

所以半导体工艺进化之路在 20nm 左右曾一度面临停滞,摩尔定律遭受威胁。

怎么办呢?其实只要栅极和源极、漏极之间的接触面积足够大,就能控制住电流。这个接触面的宽度不能增加,那就只能增加长度了。

1999 年华人教授胡正明带领加州大学伯克利分校的研究团队发明了 FinFET 晶体管技术和 UTB-SOI 技术,解决了上面说的问题。

其中,FinFET 晶体管技术是我们听过最多的。它的解决思路就是改造晶体管的结构,将源极和漏极做成像鳍片一样直立的样子,然后让栅极三面包围住鳍片,就像下面这样。

这样,等于是让栅极的宽度不变,通过巧妙地增加长度,来大大增加接触面积,从提升对电流的控制。

换句话说,原来只有一个接触面,现在有三个了,哪怕栅极宽度在进一步缩小,也不怕。

由于这种鳍片结构是立体的形态,所以也叫做 3D FinFET。

3D FinFET 技术的出现解决了晶体管工艺缩小引发的漏电的问题,让半导体的制程可以进一步推进。

随后,经过十多年的产业化推进,英特尔在 2011 年首先推出了使用 22nm FinFET 工艺的第三代 Core 处理器,这标志着摩尔定律的延续。

胡正明教授也被人们称为 FinFET 教父,以及 “拯救摩尔定律的男人”。

而 3D FinFET 技术也伴随着半导体产业发展,一路走到今天的 7nm、5nm 时代。

但是,随着芯片制程的进一步微缩,到了 5nm 之后的 3nm、2nm 等等,3D FinFET 也将迎来它的极限,鳍片距离太近、漏电重新出现,物理材料的极限都让 3D FinFET 晶体管难以为继。

还有随着工艺微缩,假如原来一个 FinFET 晶体管上可以放三个鳍片,现在只能放一个,所以就得把鳍片增高。可是鳍片越来越高,到一定高度后,很难在内部应力作用下保持直立,FinFET 结构就很难形成了。

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