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中国研究人员8日在美国《科学》杂志上报告说，他们在集成电路的基本单元晶体管研究上取得突破，发明了一种名为半浮栅晶体管的新型基础微电子器件，可让数据擦写更容易、迅速，整个过程都可在低电压条件下完成，为实现芯片低功耗运行创造了条件。
研究负责人、复旦大学教授王鹏飞说：“我国集成电路产业主要依靠引进和吸收国外成熟的技术，在微电子核心器件及集成工艺上缺乏核心技术。半浮栅晶体管的成功研制将有助我国掌握集成电路的核心技术，从而在芯片设计与制造上逐渐获得更多话语权。”
据王鹏飞介绍，金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）是目前集成电路中的主流器件，过去几十年工艺的进步让MOSFET晶体管的尺寸不断缩小，越来越接近其物理极限，基于新结构和新原理的晶体管成为当前业界急需。
半浮栅晶体管是在MOSFET晶体管中内嵌一个广泛用于低功耗电路的装置——隧穿场效应晶体管（TFET）制成。它的优势在于体积可更小，结构更简单，读写速度更快，且一片这样的晶体管的功效可比得上多块MOSFET晶体管。
闪存（Flash）技术利用的场效应管就是浮栅场效应管
FLASH技术是采用特殊的浮栅场效应管作为存储单元。这种场效应管的结构与普通场管有很大区别。它具有两个栅极，一个如普通场管栅极一样，用导线引出，称为“选择栅”；另一个则处于二氧化硅的包围之中不与任何部分相连，这个不与任何部分相连的栅极称为“浮栅”。通常情况下，浮栅不带电荷，则场效应管处于不导通状态，场效应管的漏极电平为高，则表示数据1。编程时，场效应管的漏极和选择栅都加上较高的编程电压，源极则接地。这样大量电子从源极流向漏极，形成相当大的电流，产生大量热电子，并从衬底的二氧化硅层俘获电子，由于电子的密度大，有的电子就到达了衬底与浮栅之间的二氧化硅层，这时由于选择栅加有高电压，在电场作用下，这些电子又通过二氧化硅层到达浮栅，并在浮栅上形成电子团。浮栅上的电子团即使在掉电的情况下，仍然会存留在浮栅上，所以信息能够长期保存（通常来说，这个时间可达10年）。由于浮栅为负，所以选择栅为正，在存储器电路中，源极接地，所以相当于场效应管导通，漏极电平为低，即数据0被写入。擦除时，源极加上较高的编程电压，选择栅接地，漏极开路。根据隧道效应和量子力学的原理，浮栅上的电子将穿过势垒到达源极，浮栅上没有电子后，就意味着信息被擦除了。
由于热电子的速度快，所以编程时间短，并且数据保存的效果好，但是耗电量比较大。
从传统的Flash存储器到纳米存储器的演化,是半导体存储器发展的历史趋势和历史必然。预计到2010年左右,纳米晶粒浮栅MOSFET存储器将会取代现在流行的多晶硅薄层浮栅MOSFET存储器而成为非挥发性存储器市场上的主流产品。纳米存储器早已在科技界以及各大国际半导体公司中引起了广泛的研究兴趣。纳米存储器在进入大生产领域之前,有许多难题急待解决,其中之一就是这类器件还存在着工作电压和长久存储之间的矛盾。目前的所发表的一些纳米存储器模型的保留时间远不能达到应用水平。为了解决上述矛盾,优化器件的存储特性,我们提出了一种新型的存储器结构单元——锗/硅纳米结构浮栅纳米存储器。这种新型器件有着突出的结构特点,就是在以锗/硅异质纳米晶粒代替硅纳米晶粒作为MOSFET存储器的浮置栅极之后,单一的隧穿势垒变成了台阶状的复合势垒。通过对电荷隧穿特性的分析,显示了台阶状复合势垒使得电荷的隧穿不仅与方向有关,而且与电荷的能量有关。正是由于这一台阶状复合势垒的作用,使得器件的存储特性有了很大改进。与硅纳米存储器相比,在擦写时间基本不变的情况下,器件的保留时间有了几个数量级的增长,可达十年以上。 本文采用顺序隧穿理论和巴丁传输哈密顿方法,在分析硅基纳米存储器的势结构和价带混合效应对隧穿过程影响的基础上,建立了电子和空穴直接隧穿特征时间的计算模型。并且结合实际的器件结构,分析了结构参数对硅基纳米存储器的编程速度和保留时间的影响,指出需要新的器件结构模型来优化硅基纳米存储器的保留特性。 本文数值研究了n沟道和p沟道锗/硅纳米结构浮栅纳米MOSFET存储器的时间特性。n沟道锗/硅纳米结构浮栅纳米存储器在低压和薄的隧穿氧化层厚度下擦写速度达到ns级,可实现快速编程。硅纳米结构高度的变化对保留时间的影响非常显著,而对写入时间的影响相对较小。由于台阶状势垒的作用,与硅纳米结构浮栅纳米存储器相比,n沟道锗/硅纳米结构浮栅纳米存储器的保留时间有三个量级以上的提高。由于有着较高的价带带边和台阶状的势垒,锗/硅纳米结构浮栅纳米存储器对空穴的存储会更加有效。模拟结果显示了p沟道锗/硅纳米结构浮栅纳米存储器在隧穿氧化层厚度为2 nm,栅压为3 V时,可以实现μs量级的编程,而保留时间长达十年(约108 sec)。与p沟道硅纳米结构浮栅纳米存储器和n沟道锗/硅纳米结构浮栅纳米存储器相比,保留时间分别有107和105倍的增长,而擦写时间变化不大。由此可知,p沟道锗/硅纳米结构浮栅纳米存储器可以作为性能优良的非挥发性存储器单元。这种新型的存储器模型有效地解决了快速擦写编程和长久存储的矛盾,存储性能得到了很大改善。
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