如何克服晶体管限制？

2003年，从英特尔传出了一个让人不安的消息：芯片制造商在缩小晶体管的技术上将遇到重大瓶颈，如果晶体管不能做得更小，摩尔定律就得走向尽头。尽管不时就有研究人员嚷嚷说摩尔定律就要不行了，但英特尔是摩尔定律最坚定的守护者，因此，由它来提出这样的宣告是相当罕见的。

芯片是由无数微小的电子元器件构成的，其中最主要的是晶体管。一个晶体管其实就是一个控制开关。它要能够发生作用，要处理的最基本问题可以总结为“差别”与“控制”。“差别”指0和1，“控制”指如何实现0和1。目前，晶体管中应用最主流的是场效应晶体管。场效应晶体管是用电场效应控制电流大小的单极型半导体器件，具有输入阻抗高、噪声低、热稳定性好、制造工艺简单等特点。在肖克利发明的双极型晶体管统治半导体产业三十年后，以CMOS工艺制成的场效应晶体管成为市场的主流。场效应晶体管适用于大多数的逻辑芯片，在模拟芯片上的应用也很广泛。场效应晶体管有4个组成部分：源极（source）——电子的源头；漏极（drains）——电子的去处；源极和漏极之间的传导电子的沟道；栅极（gate）——专门用来控制沟道内的电流。当电流从源极流向漏极时，晶体管就将它读为“1”；当电流不流动时，就读作“0”。数以百万计的电流活动就形成了计算或存储的功能。因此，若要让这些活动产生可靠的结果，一定要能严格掌控好栅极与沟道，确保电子不会乱跑。

栅极与沟道并不直接连通，中间隔了一层薄薄的绝缘体。最早的绝缘层就是将硅氧化后形成的二氧化硅，天然就具有这么一个性能超级好的绝缘层，对于半导体工业来说是一件幸事。有人曾经感慨，说上帝都在帮助人类发明芯片，首先给了那么多的沙子，然后又给了一个完美的自然绝缘层。所以，直到今天，硅之所以仍然是很难被取代的半导体原料，一个重要原因就是硅的综合性能太完美了。但在芯片发展到45纳米节点以下时，栅极与沟道之间的绝缘层变得太薄，仅有一点几纳米，做不到完全绝缘，会有轻微的漏电，也就是量子力学上所说的“隧道效应”。解决办法是使用高介电常数金属栅极（High-K Metal Gate，简写HKMG）。HK就是用性能更好的材料换掉原来的氧化物绝缘层，减少漏电。

当到达28纳米节点以下时，新的问题又出现了。对于晶体管来说，沟道长度是重要性仅次于功耗的重要参数。沟道长度越短，电子从源极跑到漏极所需的时间就越少，而且晶体管的体积也可以随之减小，整个电路的集成度就越高，电子器件的工作速度或频率就得以提高。但沟道长度减少又会引发一个新问题：栅极控制沟道通电的能力下降了。所以，沟道长度的物理极限，又受到源极与漏极之间距离的制约。

棚极在关闭状态时，其实是做不到将电子100%阻隔的。在晶体管尺寸较大的时候，这些漏电是可以容忍的。可是，当线宽小于28纳米的时候，由于源极与漏极变得非常接近，“隧道效应”又会发生，电子将会不受控制地自行穿越沟道，出现严重的漏电现象，晶体管将不能够正常地发挥作用。不管栅极用什么材质，都不能避免这样的现象发生。英特尔的技术战略部总监保罗·加吉尼以在小路碰上瀑布来比喻这个现象。如果不知道瀑布有多深，大家就会绕道而行；如果水幕只是薄薄一层，大家就会直接穿越它。

大多数芯片都离不开场效应晶体管，而大多数场效应晶体管又必须使用CMOS技术制造。可以说，有了CMOS技术的问世，芯片才能够按照摩尔定律不断向前进步。当应用该技术制作的场效应晶体管的尺寸到了物理极限的时候，摩尔定律也就失效了。整个半导体行业都处于悲观的状态。有意思的是，当年是一个名叫萨支唐的华人领导了CMOS技术的发明，如今，另一个华人很自信地认为，他已经找到了解决这个难题的方法。

1947年7月，胡正明出生于北京豆芽菜胡同。1968年，他从台湾大学电机系毕业。在毕业的那一年，一位来自美国的客座教授弗兰克·方到台大讲了一堂课，“他告诉我们半导体将成为未来电视机的材料，电视机可以像照片一样挂在墙上。”

在那个真空管电视机还很笨重的年代，弗兰克·方的这句话引起了胡正明的兴趣。他决定将半导体作为自己未来的研究领域，并申请攻读美国加州大学伯克利分校电机系的研究生学位。1969年，他来到伯克利并在那里加入了一个研究晶体管的小组。1973年，他获得了博士学位，此后一直从事半导体器件的开发及微型化研究。

到了20世纪90年代中期，人们已经开始担忧晶体管尺寸无法进一步缩小的问题。随着晶体管做得越来越小，它处于关闭状态的漏电却越来越成为大问题。这种漏电会非常严重，增加甚至主导了芯片功耗。当时的人们预计，到2010年，芯片“每平方厘米的功耗甚至高过了火箭喷管，业内认定那场战役注定失败”。连美国政府都对此感到不安。1995年，美国国防部高级研究计划局启动了一个名为“25纳米开关”（25-nm Switch）的计划，资助有望突破这一障碍的研究，以达到提升芯片容纳晶体管数目上限的目的。

胡正明偶然听说了这个计划，“我喜欢25纳米的想法，它远远超出了业界的想象。”当时的人们还只是担心晶体管仅能做到100纳米制程，高级研究计划局就已经很有前瞻性并相当精准地把目标定在了25纳米。随后一两天，在前往日本出差的途中，胡正明画出了解决方案的草图。在下榻日本酒店后，他将技术草图连同说明一起传真到了伯克利。他的研究小组向高级研究计划局提交了这份方案，高级研究计划局随后给他们进行了长达四年的研究经费支持。(https://www.xing528.com)

2000年，在为期四年的资助结束时，胡正明及其团队提出了两种解决途径，立即引起了业界广泛的关注。一种是立体结构的鳍式场效应晶体管（FinFET），另外一种是平面结构的超薄绝缘层上硅技术（UTB-SOI），后来发展成全耗尽型绝缘层上硅（FD-SOI）。SOI技术相对简单，就是在顶层硅和衬底之间增加一层氧化绝缘体，减少向底层的漏电。但受限于衬底制备技术的不成熟，成本较高，这限制了它的发展。

在传统晶体管的结构中，栅极属于平面的架构，只能在一个方向上控制电路的接通与断开。在FinFET架构中，栅极呈类似鱼鳍般的叉状3D架构，可于栅极的两侧控制电路的接通与断开。这种设计可以大幅改善电路控制并减少漏电，也可以大幅缩短晶体管的栅极长度。FinFET通过对垂直空间的利用解决了晶体管做薄后的漏电问题，使得晶体管尺寸可以进一步缩小，开启了3D晶体管时代。“过去我们一直用平面结构来思考晶体管的发展，因此尺寸的缩小就有了极限，最后在发现晶体管不必是平面之后，既有的定律就会被打破。”利用FinFET的技术，胡正明领导的研究小组开发出当时世界上体积最小，通过电流却最大的半导体晶体管。这种新型的晶体管为芯片容量的提高开辟了广阔的道路。

当然，FinFET技术要从实验室走向商业化，还有很漫长的道路要走。其实，在胡正明之前，就已经有IBM的研究人员提出过类似FinFET的概念，因为制作难度太大而没有继续下去。这个制作难度主要在于那个“鳍”的厚度要小于10纳米，远远超出光刻机所能达到的精度。这也是英特尔迟至2003年还表示很悲观的原因。

为了解决FinFET商业化的问题，实现28纳米之后制程的技术突破，2001年，胡正明应张忠谋的邀请，来到台积电担任技术长。正值全球互联网泡沫破裂，半导体行业受到严重影响，无数公司关门大吉。台积电营收在这一年首次出现了下滑，张忠谋却仍然在新技术研发上不计成本地投入。胡正明在台积电工作的三年多时间里，台积电加速消化FinFET这一新技术，并不断尝试实现量产。

一直到2011年5月4日，还是英特尔首先宣布开发出可以投入大规模生产的FinFET晶体管，这也是第一个商业化的3D结构晶体管。当天，英特尔还对外展示了代号为“常春藤桥”的22纳米微处理器。从此以后，FinFET开始向20纳米及以下节点继续推进，摩尔定律才得以继续向前演进。

极紫外线光刻机尚未投入商用，英特尔又是怎么造出“鳍”来的？英特尔用了个很巧妙的方法。它先用光刻机刻出一个比较厚的核，在这个核的两侧涂上超薄的硅壳，然后把中间的厚核刻蚀掉，剩下的两个竖着的硅壳就成了两个厚度小于10纳米的“鳍”。

FinFET的发明让胡正明成为全球顶级的半导体专家。因为其贡献卓著，他先后被评选为美国国家工程院院士和中国科学院外籍院士。2016年，胡正明获得美国总统奥巴马颁发的美国国家科学奖章。因为胡正明“使摩尔定律又延续了几十年”，国际电气与电子工程师学会（IEEE）授予他2020年度的荣誉勋章。这一荣誉勋章一年只颁发给一个人，上一个获得荣誉勋章的华人是张忠谋（2011年）。

当有人尊称他为“一个了不起的科学家”时，胡正明断然否认：“我不觉得我是科学家，我是一名工程师，科学家是发现自然界已经有的规律，而工程师是要发明自然界不存在的一些东西，这些东西可以为人类解决很多问题，给人类带来便利。我很骄傲，我是一名工程师，我是发明东西的人。”半导体是一门应用性很强的学科，其理论基础其实在二战前就在欧洲建好了，却直到二战后才由美国完成产业化。其中一个重要因素，就是美国人对动手能力的强调和对工程师的尊崇。可以说，是工程师文化成就了美国硅谷的繁荣，而胡正明则是硅谷最伟大的工程师之一。