【TO 編輯部導讀】
1990 年代，半導體產業面臨 25 奈米的製程瓶頸，當時市場有不少聲音，認為摩爾定律即將終結。
然而 FinFET （鰭式場效電晶體）技術的出現，讓半導體產業突破瓶頸，也讓台積電成為半導體霸主。下文將透過幕後研發推手的故事和原理圖解，告訴你 FinFET 是什麼？
本文經 新智元（公眾號 ID：AI_era）授權轉載，轉載請連繫出處
作者：新智元
上個世紀末，半導體工藝進化之路曾一度面臨停滯，摩爾定律遭受威脅。
直到 FinFET 電晶體技術的出現，才使得整個半導體產業突破了 20 nm 左右的限制。
提到 FinFET 技術，就不得不提到一個人。
他，就是胡正明，一個「拯救」摩爾定律的男人。
FinFET 改變電晶體結構，讓摩爾定律多活十幾年
幾十年來，半導體行業進步的背後存在著一條金科玉律，即「摩爾定律」—— 人類史上最偉大的「自我預言」。
摩爾定律表明：每隔 18 到 24 個月，封裝在微晶片上的電晶體數量便會增加一倍，晶片的性能也會隨之翻一番。
上世紀 90 年代中期，半導體業界普遍認為半導體製程工藝到 25 nm 時將出現瓶頸，製造技術將難以突破。
因為無法解決電晶體大規模整合到一定數量後的漏電問題，功耗將會隨之增高，這也使得業界普遍認為摩爾定律將逐漸失效。
當晶片製程達到極限時，必定會有科研人員思考製程技術的未來。
為什麼說，胡正明教授「拯救」了摩爾定律？
那還得從電晶體的原理說起。
我們都熟知中學物理電流開關結構，電晶體其實就像電流開關結構，只不過是用半導體材料做成的。
電晶體的左邊和右邊都是半導體，只有中間是金屬。
可以理解為左邊是電流開關結構的源極（Source），右邊是汲極（Drain），中間金屬是閘極（Gate）。
閘極用來控制從源極到汲極的「通電」，電流從源極到汲極形成了電腦的運算迴路。
電腦每次運算，都是上億個電晶體進行「電流運動」。
最初的電晶體結構是矩形的，源極、汲極和閘極這 3 個結構之間的接觸面，都是一個平面。
後來，製程技術不斷提升時，晶體管中閘極的寬度被擠壓的越來越小。
當這個閘極低於 20 nm 時，就會對電流失控，源極的電流會穿透柵極，直接到達汲極。
這可以說是晶片的「漏電」，讓晶片發熱量急劇上升。
如果我們解決不了這個漏電問題，就不能繼續朝著更高的製程走。
1999 年，胡正明教授帶領自己團隊發明了「FinFET 電晶體技術」，成功解決了當時困擾整個半導體界的電晶體漏電問題。
胡正明教授的 FinFET 解決方案就是「改變一下結構」。
透過改造電晶體的結構，把源極和汲極做成「直立」的樣子，然後讓閘極包圍住源極和汲極。
這樣就相當於增加了閘極和源極、汲極的接觸面積，加強了閘極的控制能力，避免了漏電現象。
因為這種結構長得像「魚鰭」，所以也被叫做鰭片結構。
看似很簡單，但是做起來的難度極高。畢竟晶體管的體積都是用奈米計算的，在這種精度上改變形狀，難度可想而知。
正因為解決了這個問題，胡正明教授一直被稱為「FinFET 之父」。
FinFET 技術不僅拯救了摩爾定律，同時也改變了整個半導體產業的發展方向，使得台積電、英特爾、AMD、NVIDIA、蘋果、華為、高通、三星等半導體產業的公司都受益於胡正明教授的發明。
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FinFET 之父曾為台積電 CTO，獲 IEEE 最高榮譽獎
1947 年，「FinFET 之父」出生在北京豆芽菜胡同，後移居台灣，1968 年畢業於台灣大學電機工程系。
此後赴美國加州大學柏克萊分校留學，並獲得了碩士和博士學位。
胡正明教授表示，「自己當時並沒有身懷大志，只不過讀書不錯，便拿到了一個獎學金到柏克萊唸書。」
自 1976 年以來，他一直是加州大學柏克萊分校電氣工程和計算機系的教授。
他還投身產業界，曾擔任半導體製造商安霸的董事會成員，後來於 2001 – 2004 年又擔任台積電 CTO。
在學術方面，胡正明總共撰寫了 5 本書，發表了 900 多篇研究論文，並擁有 100 多項美國專利。
他在 1997 年當選美國的國家工程院院士，是微電子物理領域的學術先鋒。
胡正明還是 IEEE Fellow、中國科學院外籍院士，並且還是中國科學院微電子所、清華大學等院校的榮譽教授。
胡正明多次獲得過 IEEE 授予的榮譽獎項，2016 年入選矽谷工程師名人堂，並在當年由美國總統歐巴馬授予白宮國家技術創新獎。
FinFET 再進化！GAA 架構讓摩爾定律延續
近 20 年過去了，到了 7 nm 時代，我們在晶片製程路上越來越難，甚至到了舉步維艱的地步，FinFET 結構也無法突破物理極限。
在 7 nm 之後，每前進一步，不僅是在疊代光刻工藝，同時也是在挑戰物理極限。
從 2015 年，第一顆 7 nm 晶片問世那天起，摩爾定律「將死論」就一直縈繞在整個半導體產業。
因為電晶體突破 7 nm 時，漏電現象再次出現了。
科學家們就表示，FinFET 到了極限，又一次走到了路的盡頭。
時勢造英雄，GAA（gate-all-around，簡稱 GAA）架構的出現再次拯救了摩爾定律。
它的概念的提出也很早，比利時 IMEC Cor Claeys 博士及其研究團隊於 1990 年發表文章中提出。
閘極全環（GAA）是 FinFET 技術的演進，溝道由奈米線（nanowire）構成，其四面都被閘極圍繞，從而再度增強閘極對溝道的控制能力，有效減少漏電。
目前，IBM 宣佈最新的 2 nm 先進製程晶片便是採用了 GAA 架構。
GAA 技術的推進，的確在很大程度上推進半導體工藝，特別是先進製程上的發展。
但隨著製程技術越來越接近物理極限，想要把晶片繼續做薄做小，先進製程也並不是唯一的道路，材料、封裝等也都可以稱為突破的道路。
正如胡正明教授所說，「FinFET 證實了這個產業還有很多可以用我們的智慧來解決的問題，我還真是看不到半導體產業發展的極限。」
未來，半導體產業發展依然一片光明。
參考資料
＊本文經 新智元 授權轉載，並同意 TechOrange 編寫導讀與修訂標題，原文標題為〈台积电、英特尔因他成霸主！FinFET晶体管技术让半导体产业大变天〉。首圖來源：Flickr。
（責任編輯：廖紹伶）
