台积电眼里的晶体管未来

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文章摘要

半导体技术自20世纪中叶以来深刻改变了工业和社会，其发展历程以晶体管的发明为起点。点接触晶体管的发明与双极结型晶体管的发展开启了半导体时代，锗最初因技术成熟度成为首选材料，但硅凭借更高的带隙、更低的漏电流和更宽的工作温度范围逐渐取代锗。1959年集成电路的问世标志着IC时代的开端，硅平面工艺和热氧化钝化技术的突破奠定了现代半导体加工的基础。此后，场效应晶体管（FET）的实用化、CMOS技术的崛起以及缩小尺寸的趋势共同推动了逻辑技术的进步。

在逻辑器件创新方面，从早期的浅槽隔离技术到高介电常数金属栅极（HKMG）技术，再到鳍式场效应晶体管（FinFET）的引入，晶体管的性能和密度不断提升。这些技术解决了短沟道效应、栅极漏电和载流子迁移率等关键问题。然而，随着摩尔定律面临物理极限，研究者开始探索超越硅基材料的新途径，如锗、过渡金属二硫化物（TMDs）、石墨烯纳米带（a-GNRs）和碳纳米管（CNTs）。这些新材料展现出较高的传输特性和较低的功耗潜力，但其可靠性、均匀性和可扩展性仍需进一步验证。

未来的晶体管研究重点将集中在三维集成和新型材料的应用上。垂直堆叠的互补场效应晶体管（CFET）被认为是一个有前景的密度扩展路径，而解决热管理和功率分配问题则是实现多层堆叠结构的关键。与此同时，变异性控制和嵌入式非易失性存储器的研究将为提升逻辑电路性能提供支持。

整体来看，持续推动逻辑技术发展的核心在于解决能耗、性能和密度的平衡问题。通过新型材料的开发、器件结构的优化以及先进热管理技术的应用，半导体技术有望延续其在能源效率和功能扩展方面的增长趋势，为计算能力和系统集成的未来发展提供可持续的支持。