一般報導 半導體元件 電晶體的演進 胡振國 廖建舜 電晶體是積體電路中最重要的元件之一 它的功能決定了整體電路的優劣 可謂現今半導體界的重要技術指標 本文在電晶體發明後 70 年之際 簡介它的演進 期使更多人能一窺這個左右現代人生活甚巨的半導體元件究竟是何物 背景說明 在現今積體電路 itegrated circuit, I 已廣泛應用的事實下 每個人每天的生活幾乎隨時都 受控於晶片的運作 對於晶片中的功能與原理 雖然外人看不到也不需全部了解 但是深知有東 西在工作中 有許多半導體元件發明與應用在晶片中 相當有趣 這些元件內有許多需深度探索 了解也值得學習的物理現象 也開發了許多難度甚高的技藝 值得尊敬感謝 在眾多元件中 電晶體可謂積體電路的心臟 它是一個可以靈敏感應輸入信號再予以放大轉 換的元件 也就是說當加入一個信號 電壓或電流 於某一端 可以在另外一端得到相關但不同 的信號 電壓或電流 相當於電阻的轉換 原意以 轉換電阻體 呈現 簡稱轉阻體 習稱電 晶體似乎較文雅感人有趣 因為發現電晶體到現今剛好 70 年 而且積體電路無法缺少它 重要 性可想而知 本文以簡明扼要的方式探索電晶體的演進 讓人們了解這元件的特徵與原委 電晶體分類與功能 電晶體在分類上大致可以分為雙極性接面電晶體與金氧半場效電晶體兩大類 都可視為可控 制的開關元件 以金氧半場效電晶體為例 當施予不同的偏壓 便可以打開或關上與汲 極之間的開關 電晶體可謂積體電路的心臟 它是一個可以靈敏感應輸入信號再予以放大轉換的元件 48
電晶體的發明可追朔至 70 年前 在 ell Lab 工作的 Joh ardee William Shockley 及 Walter rattai 共同發明第一顆固態電子元件電晶體 不論是何種電晶體 在電特性上須展 現出明顯的轉阻特徵 以 通道金氧半場 效電晶體為例 當偏壓 VGS 小於臨 界電壓 VT 時 電晶體是 關 當閘 極偏壓大於臨界電壓時 下方會感應 出通道 電晶體是 開 若加入的 第一個電晶體 電 晶 體 的 發 明 可 追 朔 至 70 年 前 於 1947 年 12 月 在 ell Lab 工 作 的 Joh ardee William Shockley 及 Walter rattai 共同發明第一顆固態電子元件電晶 偏壓是一變動的信號源 可想見的在 體 這個研究團隊由 William. Shockley 領 source-s 與 drai- 端會有隨之 導 目的是取代傳統真空管元件 期使功 感應起舞的電流 I S 變化 相當靈敏 率降低且體積重量更小 當時提出的元件 相當簡要但前瞻 含有一半導體鍺材料 兩點很緊密靠近的金箔由一彈簧連接固定 雙極性接面電晶體 金氧半場效電晶體 基極 閥極 G 集極 射極 E Ｅ PNP 以細緻切開定型 達到非常接近但是斷開 的雙金屬端 因此這個元件稱為鍺點接觸 Ｄ Ｇ Ｅ NPN S 型電晶體 Ｓ Ｇ Ｓ Ｃ 這金箔越過一個三角形狀的塑膠尖角並予 MOSFET Ｄ MOSFET 電晶體是可控制的開關元件 以金氧半場效電 晶體為例 當施予不同的偏壓可以控制源 極與之間的開關打開或關上 彈簧 VGS VT G VS VS(sat) S IS P IS 空乏區 VT VGS VT G VS VS(sat) P VGS4 IS VGS3 金箔 集極 Vout 型鍺 VGS2 VGS0 VT 聚苯乙烯 型鍺 通道 Vi 金箔 射極 VS VS(sat) IS S VGS VGS1 VT VS 電晶體電的特性 以 通道金氧半場效電晶體 為例 當偏壓小於臨界電壓時 電晶體是 關 當偏壓大於臨界電壓時 下 方會感應出通道 電晶體是 開 金屬 基極 1947 年 由 ell Lab 的 William. Shockley Walter H. rattai 和 Joh ardee 發明的第一顆 電晶體 是鍺點接觸型電晶體 49
一般報導 製作單顆半導體元件與整合多個元件在一晶片上 這觀念吸引了全世界的注意與研發 那元件與之後的電晶體不盡相同 但 扮演著關鍵性的前瞻領航角色 在原理上 團隊提出實驗觀察如下 在集極 某點接 觸端 與基極間的電流可受射極 另一點 電極 接觸端 的信號控制 射極端的電流變化 氧化層 可以很小 但集極端 偏壓不同 的電 半導體 Vf VL P 電極 負載 L 電極 P 流變化則相當大 也就是可把小信號放大 這現象的解釋與半導體內的電子與電洞數 量相關 P 型半導體的電洞是多數載子 而 電子是少數載子 型則相反 不同的 偏壓可造成電子與電洞的數量改變 當某 1959 年 ell Lab 的 M.M. Joh Atalla 和 awo Kahg 成功展示第一顆金氧半場效 電晶體 端點間電流缺乏某載子時 另一端點適當 提供所缺的載子 可使前者電流有大變動 實為半導體主動元件的先驅 化層做為與通道間的絕緣層 可使另 兩端與間電流受電壓控制 矽金氧半場效電晶體 提出半導體電晶體元件後 由於材料 與技術的演進 加上元件體積很小 因此 發 展 相 當 迅 速 1949 1950 年 在 材 料 的 提供未來積體電路相當大的整合契機 積體電路 提煉上發明拉晶法及浮區純化技術 可製 製作單顆半導體元件與整合多個元件 作單晶半導體及 PN 接合面 在 1950 年提 在一晶片上 雖然看似相當合理 但是須有 出了第一個雙極性接面電晶體 1955 年由 關鍵人事物於適合的時間提出 1963 年由 Shockley 在矽谷成立 Shockley 半導體實驗 Fairchild 的 Frak Walass 和. T. Sah 發 明 室 次 年 1956 年 Shockley ardee 第一個互補型金氧半導體 comlemetary rattai 榮獲諾貝爾物理獎 m e t a l - o x i d e - s e m i c o d u c t o r, M O S 在 1957 年 Robert Noyce Gordo 電路 這電路由兩個金屬半場效電晶體組 Moore 等 人 成 立 Fairchild 半 導 體 公 司 在 成 由於其工作功耗較少 因此影響力很 電路 Kilby 於 2000 年獲諾貝爾獎 在 Low stad-by ower comlemetary field 1958 年由德州儀器的 Jack Kilby 發明積體 大 他 們 提 出 的 專 利 是 Frak M. Walass, 1959 年 ell Lab 的 M.M. (Joh) Atalla 和 effect circuitry, U.S. Patet 3356858, ec. 5, awo Kahg 成功展示第一顆金氧半場效 電晶體 這電晶體採用矽基板 經由一氧 50 因為氧化層是 SiO2 容易在矽基板上生長 1967 可視為重要的元件開發與電路整合 高度成功的前驅
多晶矽 氧化層 二氧化矽 多晶矽 鋁 PSG LOOS 半導體 矽 型井 MOS MOS 1963 年由 Fairchild 的 Frak Walass 和. T. Sah 發明的第一個 MOS 其專利是 Frak M. Walass, Low stad-by ower comlemetary field effect circuitry, U.S. Patet 3356858, ec. 5, 1967 基極 射極 集極 導體 氧化層 二氧化矽 半導體 矽 基極 射極 集極 基極 射極 集極 導體 氧化層 二氧化矽 半導體 矽 NPN PNP 1960 1970 年代主要使用的電晶體是雙極性接面電晶體 當多個元件可經由整合而整體發生於同 在整合多個元件在單一晶片上時 可 一晶片上時 可想見這觀念吸引了全世界的注 想見的是大家努力把元件縮小 期使在有 意與研發 在 1960 1970 年代 許多電路主 限晶片面積上可放置更多的元件 進而使 要使用的電晶體是雙極性接面電晶體 這結構 得晶片的整合功能更加強大 這時逐漸發 可使電路發揮原先單顆電晶體在電路板上組合 生在縮小技術下的各種製程開發與製程極 時的功效 經由積體電路整合 可在單一晶片 限 這領域吸引了眾多的研發與投資 上實施原有電路板上的功能 而體積與重量大 幅縮小 整個電路晶片功效大幅提升 對於高密度積體電路技術的研發 矽 晶片一直扮演著關鍵角色 理由和這種材 51
一般報導 料可容易製備絕緣層與實施較先驅的縮小 USG 技術有關 1980 年代大量使用金氧半場效 鋁銅合金 電晶體整合在積體電路上 使用的技術包 鎢栓塞 鈦 氮化鈦 括局部矽基氧化 二氧化矽平坦化流通 金屬矽化物 多層連線等 側壁間隔物 PSG STI 型井 在 1990 年代開發的技術 包括金屬矽 MOS 化物 鎢栓塞 化學機械研磨 淺溝渠隔 絕 側壁 輕摻雜等 這些技術屬於 高級半導體工程 多人開發的結果使得矽 元件一直保持以固定的速率縮小 更使得 積體電路可提供的功能持續放大 影響深 MOS 1980 年代開始主要使用金氧半場效電晶體 1980 年代使用的技術包括局部矽基氧化 二氧 化矽平坦化流通 多層連線等 1990 年代使用 的技術包括金屬矽化物 鎢栓塞 化學機械研 磨 淺溝渠隔絕 側壁 輕摻雜等 遠 在國際間可提供積體電路實施的場所 競爭相當激烈 甚至已達到可左右國家等 電鍍銅 鉈 USG 級的經濟命脈 當元件縮小使得積體電路密度漸增之 際 人類開始動腦把後段工藝予以多層堆 金屬 USG PSG 高介電質材料 疊 期使連線更智慧且更有效 這個需求 型井 STI 型磊晶層 進神速 在 2000 年代 使用技術包括銅導 型基板 金屬等 每個新技術的背後都有多人 探討相關的元件特性 可靠度 整合度及 型井 動員了相當多的材料與製程整合 技術演 MOS 線 低介電質旋塗沉積 鑲嵌 高介電質 MOS 2000 年代使用的技術包括銅導線 低介電質旋 塗沉積 鑲嵌 高介電質金屬等 成本 提出許多專利 專利分布探勘與技 術迴避也趨重要 鰭式電晶體與奈米線電晶體 在關鍵電晶體元件的演進上 因為載 子在半導體內移動會受到阻礙 如何使其 速度提升會影響元件特性及其積體電路功 效 因此相當敏感重要 在 2004 年至 2006 年期間 技術節點由 90 m 演進至 65 m 出現矽鍺源 應力矽基技術 經由材 料力學把晶體施加伸張或壓縮力 可使載 子在不同方向的速度改變 達到較理想的 元件特性 52 2004 年 90 m -2006 年 65 m 出 現 矽 鍺 源 汲 極 應 力 矽 基 2008 年 45 m 20 年 32 m 出 現 閘 極 後 製 高 介 電 質 金 屬 閘 極 2012 年 22 m -2014 年 16 14 m -2017 年 m 出 現 三 閘 鰭 式 場 效 電 晶 體 2018 年 7 m - 2020 年 5 m 出現全包覆奈米線金氧 半場效電晶體 矽鍺 源
無摻雜 AlGaAs 間隔層 金屬 GaAs AlGaAs 無摻雜 GaAs AlGaAs 無摻雜 GaAs 緩衝層 金屬 E VG 0 無摻雜 AlGaAs 間隔層 無摻雜 AlGaAs 間隔層 AlGaAs E VG 0 二維電子氣 無摻雜 GaAs 二維電 子氣 半絕緣 GaAs 基板 1979 年日本 Fujitsu 的 Takashi Mimura 發明的高電子位移率電晶體 通道 TFET i VGS 0 通道 VS 0 E VGS 0 通道 VS 0 E E 電子 E 通道 TFET VGS 0 通道 VS 0 E i E VGS 0 通道 E 電洞 E VS 0 2004 年 IM 做出奈米碳管穿隧場效電晶體 其 SS 約僅 40 mv decade 20 年開始提出許多不同 材料的穿隧場效電晶體 在 2008 年 至 20 年 期 間 技 術 節 點 在不久的將來 預期於 2018 年至 2020 由 45 m 演進至 32 m 出現後製高介 年期間 技術節點可由 7 m 再演進至 3 m 電質金屬技術 這材料可因高介電使得 結構可能出現全包覆奈米線金氧半場 在較厚的材料體上仍有足夠的電容 在很小 效電晶體 但是否如預期出現這結構 仍 的電壓工作範圍內仍可有效地驅動電晶體動 待密切觀察與注意 作 而較厚材料的漏電流較小 符合現今縮 小 元 件 所 需 在 2012 年 經 2014 年 至 2017 年期間 技術節點由 22 m 經 16 14 m 至 m 出現三閘 鰭式場效電晶體技術 高電子位移率電晶體與穿隧場效 電晶體 這技術可使電晶體的通道被電壓控制的 1979 年 日 本 Fujitsu 的 Takashi Mimura 效率提高 在小電壓工作下就可使電晶體靈 發明高電子位移率電晶體 這結構採用了 敏運作 也就是說開發高靈敏度感測的電晶 異質三五族半導體材料接面 經由設計與 體元件是現今極為重要的課題 控制使得電子在半導體特殊通道層內呈現 53
一般報導 (a) To view S A (b) ross sectio alog A R2 R VG VT Al Al SiO2 1 Al Si() -5-6 -7-8 -9 - -11-12 (b) dox 3.2 m S 7.6 µm R1 83.6 µm 15.3 mv decade 26.5 mv decade 34.4 mv decade ade R2 576.1 µm -1.0-0.8-0.6 I (A) V 1V mv d ec I (A) 2V 60 (a) 3V -0.4 VG (V) -0.2 0.0 0.2-5 -6-7 -8-9 - -11-12 dox 3.2 m VG 0.5V S 7.6 µm R1 83.6 µm R2 576.1 µm VG -0.6V ste 0.1V -0.5 0.0 0.5 V Ih1 øh1 AI SiO2 Si() y Ih2 øh2 AI SiO2 Si() 2.0 y Vox2 Vox1 VG1-0.8V 1.5 e-(vg2) e-(vg1) V 1.0 V (V) V VG2 0.0V V AI SiO2 Si() A e- Ih1 Ih2 Ih1 ga ga(vg1) A 0 ga ga(vg2) e- es Ih2 X 2015 年由臺灣大學電機系與電子所胡振國和廖建舜提出的穿隧氧化層場效電晶體 54 A e- A 0 S X 2.5 3.0
出二維電子氣空間 再利用不同的摻雜分 在未來的半導體元件世界 可想見元件 布 使得電子的位移率有效提升 對於強 尺寸還有縮小的空間 元件材料也還有許多 化電晶體功能具特殊效果 候選者等待選用 但會有更多的問題有待克 當傳統元件結構面臨挑戰時 陸續開 服 尤其是兩元件間彼此的干擾耦合會漸行 發提出許多高度利用半導體本質特徵做為 嚴重 如何把其特徵加以有效應用或遏止 新 穎 電 晶 體 的 結 構 在 2004 年 IM 做 出 會是一種嚴峻的挑戰 此外 對於高靈敏度 奈米碳管穿隧場效電晶體 其 SS 約僅 40 感應電晶體的需求 會隨著物聯網的大量應 mv decade 之後在 20 年間提出了許多 用而更形重要 這些問題都仰賴更多優秀學 不同材料的穿隧場效電晶體 這元件主要 子不斷投入研發與創新 才可持續保持國家 利用 PN 接面間的穿隧機制進行通與不通的 半導體工業居於國際領先的地位 這個半導 開關 是高度量子力學穿隧效應的展現 體的世界應還會繼續左右人類生活 其重要 性只會擴大不會消失 超薄氧化層金氧半雙穿隧二極體 耦合電晶體 在 2015 年由臺灣大學電機系與電子所 胡振國和廖建舜提出的雙耦合穿隧氧化層 場效電晶體 利用一超薄氧化層結構 並 製作內圓形外環圍繞的雙電極 也就是雙 耦 合 的 金 氧 半 MIS 穿 隧 二 極 體 以 中 央 圓 形 電 極 MIS 為 感 應 元 件 外 胡振國 臺灣大學電機系暨電子所 圍 MIS 是少數載子控制區 可得到相 廖建舜 當 靈 敏 的 電 晶 體 特 徵 其 SS 可 小 至 15.3 臺灣大學電子所 mv decade 是新穎的結構 55