ترانزستور ذو تأثير المجال ذو الزعانف

ترانزستور تأثير المجال ذو الزعانف ( FinFET ) هو جهاز متعدد البوابات ، وهو ترانزستور تأثير المجال المعدني-أكسيد-شبه الموصل ( MOSFET ) مبني على ركيزة حيث توضع البوابة على جانبين أو ثلاثة أو أربعة جوانب من القناة، أو تُلف حول القناة ( بوابة محيطة )، مما يُشكل بنية ثنائية أو متعددة البوابات. سُميت هذه الأجهزة بـ "FinFETs" لأن منطقة المصدر/المصب تُشكل زعانف على سطح السيليكون . تتميز أجهزة FinFET بأوقات تبديل أسرع بكثير وكثافة تيار أعلى من تقنية CMOS (أشباه الموصلات المعدنية-أكسيد التكميلية) المستوية، ^{[ 1 ]} مما يُؤدي إلى تحسين الأداء وكفاءة الطاقة.

يُعدّ FinFET نوعًا من الترانزستورات غير المستوية ، أو الترانزستور "ثلاثي الأبعاد". ^{[ 2 ]} وهو أساس تصنيع أجهزة أشباه الموصلات النانوإلكترونية الحديثة . وقد بدأت الرقائق الدقيقة التي تستخدم بوابات FinFET بالتسويق التجاري في النصف الأول من العقد الثاني من القرن الحادي والعشرين، وأصبحت التصميم السائد للبوابات في تقنيات التصنيع 14 نانومتر و 10 نانومتر و 7 نانومتر .

من الشائع أن يحتوي ترانزستور FinFET الواحد على عدة زعانف، مرتبة جنبًا إلى جنب ومغطاة جميعها ببوابة واحدة، تعمل كهربائيًا كوحدة واحدة. يمكن تغيير عدد الزعانف لضبط قوة الإشارة والأداء، ^{[ 3 ]} حيث تزداد قوة الإشارة بزيادة عدد الزعانف. ^{[ 4 ]}

طُرح مفهوم الترانزستور ذي الأغشية الرقيقة ثنائي البوابة (TFT) من قِبل إتش آر فرح ( شركة بنديكس ) وآر إف شتاينبرغ عام 1967. ^{[ 5 ]} وفي وقت لاحق، اقترح توشيهيرو سيكيغاوا من مختبر الهندسة الكهربائية (ETL) ترانزستور MOSFET ثنائي البوابة في براءة اختراع عام 1980، واصفًا ترانزستور XMOS المستوي . ^{[ 6 ]} قام سيكيغاوا بتصنيع ترانزستور XMOS بالتعاون مع يوتاكا هاياشي في مختبر الهندسة الكهربائية عام 1984. وقد أثبتا إمكانية تقليل تأثيرات القناة القصيرة بشكل ملحوظ عن طريق وضع جهاز سيليكون على عازل (SOI) مستنفد بالكامل بين قطبين كهربائيين متصلين معًا. ^{[ 7 ] [ 8 ]}

كان أول نوع من ترانزستورات FinFET يُسمى ترانزستور قناة دلتا (DELTA)، وقد صُنع لأول مرة في اليابان عام 1989 على يد ديغ هيساموتو، وتورو كاغا، ويوشيفومي كاواموتو، وإيجي تاكيدا من مختبر هيتاشي المركزي للأبحاث. ^{[ 7 ] [ 9 ] [ 10 ]} يمكن لبوابة الترانزستور أن تغطي زعنفة قناة أشباه الموصلات وتتصل بها كهربائيًا من الأعلى والجوانب، أو من الجوانب فقط. يُسمى النوع الأول ترانزستور ثلاثي البوابات ، بينما يُسمى النوع الثاني ترانزستور ثنائي البوابات . يمكن توصيل كل جانب من جوانب الترانزستور ثنائي البوابات بطرفين أو موصلين مختلفين. يُسمى هذا النوع ترانزستورًا مُجزأً، مما يُتيح تحكمًا أدق في تشغيل الترانزستور.

نشر المهندس الإندونيسي أفندي ليوباندونغ، أثناء عمله في جامعة مينيسوتا ، ورقة بحثية بالاشتراك مع ستيفن واي تشو في المؤتمر الرابع والخمسين لأبحاث الأجهزة عام 1996، أوضح فيها فائدة تقسيم ترانزستور CMOS عريض إلى قنوات متعددة ذات عرض ضيق لتحسين تصغير حجم الجهاز وزيادة تياره عن طريق زيادة عرضه الفعال. ^{[ 11 ]} هذا التركيب هو ما يبدو عليه ترانزستور FinFET الحديث. على الرغم من التضحية ببعض عرض الجهاز بتقسيمه إلى قنوات ضيقة، إلا أن توصيل الجدار الجانبي للزعانف الضيقة يعوض هذا الفقد، بل ويزيد، في حالة الزعانف الطويلة. ^{[ 12 ] [ 13 ]} كان للجهاز عرض قناة يبلغ 35  نانومترًا وطول قناة يبلغ 70  نانومترًا . ^{[ 11 ]}

منحت وكالة مشاريع البحوث الدفاعية المتقدمة (DARPA) في عام 1997 عقدًا لمجموعة بحثية في جامعة كاليفورنيا، بيركلي، لتطوير تقنية FinFET ثلاثية الأبعاد عملية ذات أبعاد دون الميكرون . ^{[ 14 ]} قاد المجموعة هيساموتو بالتعاون مع تشنمينغ هو من شركة TSMC . حقق الفريق الإنجازات التالية بين عامي 1998 و2004. ^{[ 15 ]} طلب ديغ هيساموتو أن يكون باحثًا زائرًا في مجموعة تشنمينغ هو البحثية في بيركلي. دعا تشنمينغ هو هيساموتو للانضمام إلى مشروع FinFET الممول من DARPA.

• 1998 - قناة N FinFET ( 17  نانومتر ) - ديج هيساموتو، تشينمينج هو، تسو جاي كينغ ليو ، جيفري بوكور، وين تشين لي، جاكوب كيدزيرسكي، إريك أندرسون، هيديكي تاكيوتشي، كازويا أسانو ^{[ 16 ]}
• 1999 – قناة P FinFET ( تحت 50  نانومتر ) – ديج هيساموتو، تشينمينغ هو، شيويجو هوانغ، وين تشين لي، تشارلز كو، ليلاند تشانغ، جاكوب كيدزيرسكي، إريك أندرسون، هيديكي تاكيوتشي ^{[ 17 ]}
• 2001 – 15  نانومتر FinFET – تشينمينغ هو، يانغ كيو تشوي، نيك ليندرت، بي شوان، إس تانغ، دي ها، إريك أندرسون، تسو جاي كينغ ليو، جيفري بوكور ^{[ 18 ]}
• 2002 – 10  نانومتر FinFET – شيبلي أحمد، سكوت بيل، سايروس تابيري، جيفري بوكور، ديفيد كايزر، تشنمينغ هو، تسو جاي كينغ ليو، بين يو، ليلاند تشانغ ^{[ 19 ]}
• 2004 – بوابة عالية κ / معدنية FinFET – D. Ha، Hideki Takeuchi، Yang-Kyu Choi، Tsu-Jae King Liu، W. Bai، D.-L. كوونغ، أ. أغاروال، م. أمين

لقد صاغوا مصطلح "FinFET" (ترانزستور تأثير المجال ذو الزعانف) في ورقة بحثية نُشرت في ديسمبر 2000، ^{[ 20 ]} والتي تُستخدم لوصف ترانزستور غير مستوٍ ذو بوابة مزدوجة مبني على ركيزة SOI. ^{[ 21 ]}

في عام 2006، طوّر فريق من الباحثين الكوريين من المعهد الكوري المتقدم للعلوم والتكنولوجيا (KAIST) والمركز الوطني لتصنيع النانو ترانزستورًا بحجم 3 نانومتر ، وهو أصغر جهاز إلكتروني نانوي في العالم ، بالاعتماد على تقنية FinFET ذات البوابة المحيطة (GAA). ^{[ 22 ] [ 23 ]} وفي عام 2011، أثبت الباحثان مسعود رستمي وكارتيك موهانرام من جامعة رايس أن ترانزستورات FinFET يمكن أن تحتوي على بوابتين مستقلتين كهربائيًا، مما يمنح مصممي الدوائر مرونة أكبر في التصميم باستخدام بوابات فعالة ومنخفضة الطاقة. ^{[ 24 ]}

في عام 2020، حصل تشنمينغ هو على جائزة IEEE Medal of Honor لتطويره لتقنية FinFET، والتي أرجع معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (IEEE) الفضل فيها إلى نقل الترانزستورات إلى البعد الثالث وتوسيع قانون مور . ^{[ 25 ]}

عرضت شركة TSMC في ديسمبر 2002 أول ترانزستور في الصناعة بتقنية 25 نانومتر يعمل بجهد 0.7 فولت فقط . يتميز تصميم "Omega FinFET"، الذي سُمي بهذا الاسم نسبةً إلى التشابه بين الحرف اليوناني " Omega " وشكل البوابة التي تلتف حول بنية المصدر/المصب، بتأخير بوابة يبلغ 0.39 بيكو ثانية (ps) فقط للترانزستور من النوع N و0.88 بيكو ثانية للنوع P.

في عام 2004، عرضت سامسونج تصميم "فينفيت بكميات كبيرة"، مما أتاح إنتاج أجهزة فينفيت بكميات كبيرة. وقد عرضت ذاكرة الوصول العشوائي الديناميكية ( DRAM ) المصنعة بتقنية فينفيت بكميات كبيرة 90  نانومتر . ^{[ 15 ]}

في عام 2011، عرضت شركة إنتل ترانزستورات ثلاثية البوابات ، حيث تحيط البوابة بالقناة من ثلاث جهات، مما يسمح بزيادة كفاءة الطاقة وتقليل تأخير البوابة، وبالتالي تحسين الأداء، مقارنةً بالترانزستورات المستوية. ^{[ 26 ] [ 27 ] [ 28 ]}

تستخدم الرقائق المصنعة تجاريًا بتقنية 22 نانومتر وما دونها عمومًا تصميمات بوابات FinFET (مع وجود عمليات تصنيع مستوية تصل إلى 18  نانومتر، وتقنية 12 نانومتر قيد التطوير). أُعلن عن نسخة  Intel ثلاثية البوابات  بتقنية 22 نانومتر في عام 2011 لبنية Ivy Bridge الدقيقة . ^{[ 29 ]} وبدأت هذه الأجهزة بالشحن من عام 2012 فصاعدًا. ومنذ عام 2014، استخدمت كبرى شركات تصنيع الرقائق (TSMC، وسامسونج، وجلوبال فاوندريز ) تصميمات FinFET بتقنية 14 نانومتر (أو 16  نانومتر) .

في عام 2013، بدأت شركة إس كيه هاينكس الإنتاج التجاري الضخم لتقنية 16  نانومتر، ^{[ 30 ]} وبدأت شركة تي إس إم سي إنتاج  تقنية FinFET بتقنية 16 نانومتر، ^{[ 31 ]} وبدأت شركة سامسونج للإلكترونيات إنتاج تقنية 10  نانومتر . ^{[ 32 ]} وبدأت شركة تي إس إم سي إنتاج تقنية 7 نانومتر في عام 2017، ^{[ 33 ]} وبدأت سامسونج إنتاج تقنية 5 نانومتر في عام 2018. ^{[ 34 ]} وفي عام 2019، أعلنت سامسونج عن خطط للإنتاج التجاري لتقنية GAAFET  بتقنية 3 نانومتر بحلول عام 2021. ^{[ 35 ]} وقد اعتُبرت تقنية FD-SOI (السيليكون المستنفد بالكامل على العازل ) بديلاً محتملاً منخفض التكلفة لتقنية FinFET. ^{[ 36 ]}

بدأ الإنتاج التجاري لذاكرة أشباه الموصلات بتقنية FinFET النانوية الإلكترونية في العقد الثاني من الألفية الثانية. ^{[ 1 ]} في عام 2013، بدأت شركة SK Hynix الإنتاج الضخم لذاكرة فلاش NAND بتقنية 16 نانومتر ، ^{[ 30 ]} وبدأت شركة Samsung Electronics إنتاج ذاكرة فلاش NAND متعددة المستويات (MLC) بتقنية 10 نانومتر . ^{[ 32 ]} في عام 2017، بدأت شركة TSMC إنتاج ذاكرة SRAM باستخدام عملية تصنيع بتقنية 7 نانومتر. ^{[ 33 ]}   

• عدد الترانزستورات

• "عصر السيليكون: اتجاهات صناعة أجهزة أشباه الموصلات "، 2022