在追求更小、更快、更節(jié)能的電子設(shè)備的道路上，半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展從未停歇。

其中，F(xiàn)inFET（鰭式場效應(yīng)晶體管）的出現(xiàn)是這一旅程中的一個重要里程碑。FinFET 是一種開創(chuàng)性的晶體管設(shè)計，徹底改變了半導(dǎo)體行業(yè)。

歷史和演變

FinFET 技術(shù)的發(fā)展是半導(dǎo)體制造領(lǐng)域的一個重要里程碑。FinFET 代表鰭式場效應(yīng)晶體管，是一種三維晶體管設(shè)計，與傳統(tǒng)平面晶體管相比，它提供了增強的性能和能效。FinFET 技術(shù)的歷史可以追溯到 20 世紀 90 年代末期，當(dāng)時加州大學(xué)伯克利分校的研究人員提出了垂直多柵晶體管結(jié)構(gòu)的概念。這一突破性的想法解決了平面晶體管在縮小尺寸的同時保持良好電流控制能力的局限性。研究人員意識到，通過使用類似鰭的結(jié)構(gòu)作為溝道區(qū)域，可以實現(xiàn)更好的靜電控制，減少漏電流，并提高整體晶體管性能。在 2000 年代初期，英特爾、IBM 和臺積電等主要半導(dǎo)體制造商開始進行密集的研發(fā)工作，以完善和商業(yè)化 FinFET 技術(shù)。

制造流程：

FinFET 的工作原理

FinFET 的工作原理涉及使用鰭狀溝道，而不是傳統(tǒng) MOSFET 中的平面溝道。與具有平面溝道的平面晶體管不同，F(xiàn)inFET 采用從襯底垂直突出的鰭狀溝道。溝道被柵極電極從三面包圍，提供了對晶體管行為的優(yōu)越控制。柵極結(jié)構(gòu)包括柵極氧化層、柵極電極和柵極絕緣層。

當(dāng)對柵極電極施加電壓時，溝道區(qū)域會形成電場。這個電場控制著通過溝道的電流。FinFET 的獨特設(shè)計允許對溝道進行更好的靜電控制，減少漏電流，并提高整體晶體管性能。

FinFET 的關(guān)鍵優(yōu)勢

減少漏電流：FinFET 的主要優(yōu)勢之一是能夠顯著減少功耗泄漏。垂直鰭結(jié)構(gòu)允許更好地控制溝道，在晶體管處于關(guān)閉狀態(tài)時減少漏電流。這種改進的控制減少了能量浪費，提高了能效。

增強性能：與前代產(chǎn)品相比，F(xiàn)inFET 提供了顯著的性能提升。三維結(jié)構(gòu)允許更高的晶體管密度，使得在給定區(qū)域內(nèi)可以容納更多的晶體管。這導(dǎo)致更高的處理能力和更快的開關(guān)速度，從而提高了整體設(shè)備性能。

可擴展性：隨著電子設(shè)備尺寸的不斷縮小，晶體管的可擴展性變得至關(guān)重要。FinFET 展示了出色的可擴展性，使得半導(dǎo)體行業(yè)能夠繼續(xù)其對微型化的不懈追求。該設(shè)計在處理縮小的晶體管尺寸方面的穩(wěn)健性對于維持摩爾定律的步伐至關(guān)重要。

低功耗：FinFET 的工作電壓低于傳統(tǒng)晶體管，從而降低了功耗。對溝道的改進控制使得更好的功耗管理成為可能，從而延長了便攜設(shè)備的電池壽命，并減少了大型系統(tǒng)的能源需求。

更好的溝道控制：FinFET 允許更好地控制溝道區(qū)域，減輕了困擾 MOSFET 的短溝道效應(yīng)。三維鰭結(jié)構(gòu)和調(diào)整鰭寬度的能力提供了增強的靜電控制，減少了不希望的效應(yīng)，使得有效的縮放和改進性能成為可能。通過調(diào)整鰭寬度，可以微調(diào)晶體管的閾值電壓和性能，以滿足特定的性能要求。

FinFET 的關(guān)鍵尺寸

下圖顯示了影響 FinFET 性能的一些關(guān)鍵尺寸：

柵極長度（Lg）：柵極長度表示控制 FinFET 溝道區(qū)域的柵極電極的長度。更小的柵極長度可以減少傳播延遲并提高性能。

鰭厚度（T）：這表示鰭的橫向尺寸。盡管較厚的鰭可以更好地控制溝道并減少短溝道效應(yīng)，但較厚的鰭同時也會在工藝復(fù)雜性和寄生電容方面帶來挑戰(zhàn)。

鰭高度（Hfin）：鰭高度表示 FinFET 中鰭結(jié)構(gòu)的垂直尺寸。增加鰭高度可以更好地靜電控制溝道，從而提高晶體管性能。它還可以提高驅(qū)動電流并減少漏電流。

晶體管寬度（W）：較寬的鰭提供了更大的溝道橫截面積，從而實現(xiàn)更高的驅(qū)動電流。

超越 FinFET

除了 FinFET 之外，半導(dǎo)體技術(shù)的進步正在塑造電子設(shè)備的未來。一些值得注意的技術(shù)包括：

納米片 FET（NS-FET）

納米片 FET 是 FinFET 技術(shù)的演變，旨在進一步提升晶體管性能。它不是使用鰭結(jié)構(gòu)，而是使用多層超薄硅層堆疊在一起，形成納米片。這種架構(gòu)提供了更好的靜電控制，減少了電流泄漏，從而提高了能效和性能。

環(huán)繞柵極 FET（GAA-FET）

GAA-FET，也稱為納米線 FET 或納米帶 FET，是一種新興的晶體管架構(gòu)，與 FinFET 相比，它對溝道區(qū)域提供了優(yōu)越的控制。在這種設(shè)計中，溝道被柵極從四面包圍，實現(xiàn)了更好的靜電控制，減少了短溝道效應(yīng)。GAA-FET 提供了出色的可擴展性、更高的性能和更好的能效。

隧穿 FET（TFET）：

TFET 是一種新型晶體管架構(gòu)，利用量子力學(xué)隧穿現(xiàn)象。它用隧穿結(jié)取代了傳統(tǒng)的 MOSFET（金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管）結(jié)，從而更好地控制晶體管的行為。TFET 有可能在較低電壓下工作，減少功耗，并可用于低功耗應(yīng)用，如移動設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備。

碳納米管 FET（CNFET）：

碳納米管（CNT）是由碳原子構(gòu)成的圓柱形結(jié)構(gòu)，具有出色的電學(xué)性能。CNFET 使用碳納米管作為溝道材料，與傳統(tǒng)的硅基晶體管相比，提供了更高的載流子遷移率和更高的電流密度。CNFET 有望用于高性能應(yīng)用，并可在較低的功耗水平下工作。

自旋電子器件：

自旋電子學(xué)，或稱自旋電子學(xué)，是一個新興領(lǐng)域，它利用電子的固有自旋，而不僅僅是它們的電荷。自旋電子器件，如自旋場效應(yīng)晶體管（SpinFET）和磁隧道結(jié)（MTJ），使電子自旋的操縱成為可能，用于數(shù)據(jù)存儲和處理。這些器件有可能徹底改變存儲技術(shù)，帶來更快、更節(jié)能的數(shù)據(jù)存儲和計算系統(tǒng)。

類腦計算：

類腦計算旨在開發(fā)模仿人腦結(jié)構(gòu)和功能的硬件系統(tǒng)。它涉及設(shè)計專門的電路和架構(gòu)，能夠以卓越的效率執(zhí)行諸如模式識別、機器學(xué)習(xí)和認知計算等任務(wù)。