編者按：隨著集成電路晶體管密度越來越接近物理極限，單純依靠提高制程來提升集成電路性能變得越來越困難。圍繞如何發(fā)展“后摩爾時(shí)代”的集成電路產(chǎn)業(yè)，全球都在積極尋找新技術(shù)、新方法和新路徑。為進(jìn)一步推動(dòng)中國集成電路在后摩爾時(shí)代的技術(shù)創(chuàng)新、加速產(chǎn)業(yè)發(fā)展，特推出相關(guān)領(lǐng)域院士訪談，探討后摩爾時(shí)代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向。

　　幾十年來，集成電路產(chǎn)業(yè)一直遵循摩爾定律高速發(fā)展，制程節(jié)點(diǎn)正在逐漸向3納米演進(jìn)。但是，受技術(shù)瓶頸和研制成本劇增等因素影響，摩爾定律正逼近極限。在后摩爾時(shí)代，誰會(huì)成為未來集成電路的技術(shù)方向呢？近日，中國科學(xué)院院士張躍接受了《中國電子報(bào)》記者專訪。

　　新型關(guān)鍵半導(dǎo)體材料研制是未來主要技術(shù)發(fā)展方向之一

　　記者：隨著后摩爾時(shí)代的演進(jìn)，您認(rèn)為延續(xù)摩爾定律的技術(shù)主要有哪些？

　　張 躍：過去的半個(gè)多世紀(jì)，摩爾定律成功地促進(jìn)了半導(dǎo)體科學(xué)、工業(yè)技術(shù)與社會(huì)資本的深度融合，刺激了集成電路產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，也加速了人類從信息時(shí)代跨向人工智能時(shí)代的前進(jìn)腳步。然而隨著尺寸微縮極限的到來，集成電路通過直接縮小溝道尺寸實(shí)現(xiàn)高集成度和高數(shù)據(jù)處理能力都面臨著巨大的挑戰(zhàn)。隨著集成電路從平面制造技術(shù)向三維制造技術(shù)發(fā)展，工藝復(fù)雜性以及制造成本顯著增加，集成電路制造技術(shù)進(jìn)入了后摩爾時(shí)代。當(dāng)前，人們正在從軟件架構(gòu)、硬件結(jié)構(gòu)、連接方式以及新材料制造等多方面努力尋找延續(xù)摩爾定律的方法。

　　從產(chǎn)業(yè)的角度看，目前集成電路的先進(jìn)制程已經(jīng)進(jìn)入7納米和5納米工藝節(jié)點(diǎn)。然而，隨著極紫外（EUV）曝光技術(shù)等復(fù)雜制造工藝的引入和系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度的增加，集成電路制造成本顯著提升。

　　從材料科學(xué)的角度看，傳統(tǒng)硅基材料在尺寸微縮極限下遇到的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，是造成集成電路工藝復(fù)雜性和系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度顯著提升的重要因素。首先，隨著晶體管集成度的提高，處于晶體管結(jié)構(gòu)中的溝道半導(dǎo)體材料（如硅、鍺等）厚度減小到了10納米數(shù)量級(jí)，僅有幾十個(gè)原子大小。在這種情況下，量子限域效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料的電學(xué)性能顯著衰退，當(dāng)達(dá)到一到兩個(gè)納米的極限尺寸時(shí)，硅、鍺等傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料的遷移率都會(huì)接近零，成為不導(dǎo)電的絕緣體，無法實(shí)現(xiàn)晶體管的基本功能。

　　其次，傳統(tǒng)晶體管半導(dǎo)體器件的主要結(jié)構(gòu)是異質(zhì)結(jié)構(gòu)。晶體管中涉及的材料很多，包括半導(dǎo)體材料、氧化物材料、金屬材料。一般地，采用外延生長工藝將兩種材料連接起來構(gòu)成異質(zhì)結(jié)構(gòu)。然而在兩種材料連接的界面處，由于原子的大小和結(jié)合方式都不一樣，會(huì)產(chǎn)生很多沒有成鍵的電荷散射中心。隨著尺寸減小，這些電荷散射中心的不良影響顯著增加，晶體管中電荷傳輸效率低，需要更大的工作電壓驅(qū)動(dòng)，導(dǎo)致器件功耗無法降低。

　　因此，如何克服尺寸微縮極限下傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料性能衰退和異質(zhì)結(jié)器件功耗大的瓶頸問題，是延續(xù)后摩爾定律的主要途徑之一。從目前的發(fā)展情況看，在未來的一段時(shí)間內(nèi)，通過研發(fā)更高精度的工藝制造技術(shù)和更加優(yōu)化的器件與系統(tǒng)架構(gòu)的硅基集成電路仍然是主導(dǎo)全球集成電路發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)路線。但是，未雨綢繆，瞄準(zhǔn)下一代工藝技術(shù)節(jié)點(diǎn)，研究可以彌補(bǔ)硅基技術(shù)路線中傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料性能的短板，研制新型關(guān)鍵半導(dǎo)體材料將是未來重要的技術(shù)路線之一。

　　為此，美、日、韓、歐盟等國家和地區(qū)以及Intel、IBM、IMEC、三星、臺(tái)積電等主要廠商在未來技術(shù)路線中均把研發(fā)新型關(guān)鍵半導(dǎo)體材料作為重要的發(fā)展方向之一。我國也在聚焦高端芯片、集成電路裝備和工藝技術(shù)、集成電路關(guān)鍵材料等關(guān)鍵核心技術(shù)的研發(fā)。

　　后摩爾時(shí)代，全球科技界和產(chǎn)業(yè)界都處在積極探索和尋找下一代關(guān)鍵半導(dǎo)體材料的十字路口前。時(shí)不我待，緊緊抓住這個(gè)重大機(jī)遇期，突破新型關(guān)鍵半導(dǎo)體材料的技術(shù)瓶頸，將為我國引領(lǐng)未來科技與產(chǎn)業(yè)變革打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

　　石墨烯晶體管集成電路的發(fā)展仍然面臨著巨大挑戰(zhàn)

　　記者：石墨烯技術(shù)在集成電路上有沒有發(fā)展前景？

　　張 躍：在人類社會(huì)的科技進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)發(fā)展中，碳材料家族一直起著舉足輕重的作用，比如煤炭是人類使用的主要能源之一，石墨是優(yōu)秀的潤滑、導(dǎo)熱材料，碳纖維材料是工業(yè)制造和紡織品等領(lǐng)域的重要戰(zhàn)略材料。幾乎每一種碳材料的發(fā)現(xiàn)都會(huì)引起從科學(xué)到產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。自低維碳材料興起以來，不斷涌現(xiàn)出零維富勒烯、一維碳納米管、二維石墨烯和石墨炔等碳的同素異形體。三十年來，新型低維碳材料的迅速發(fā)展極大地推動(dòng)了信息電子、能源催化、航空航天、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域的不斷進(jìn)步。

　　石墨烯是碳材料家族的重要成員之一，從誕生之初就帶著閃亮的光環(huán)。從結(jié)構(gòu)上，石墨烯是人類可以制造的最薄材料，它的厚度和一個(gè)原子的直徑相當(dāng)，是頭發(fā)絲的六十萬分之一。從性能上，石墨烯獨(dú)特的狄拉克錐形能帶結(jié)構(gòu)，使得其具有超高的載流子遷移率。這些都突破了人們對(duì)傳統(tǒng)材料認(rèn)識(shí)和理解的極限，一時(shí)間石墨烯好像變成了無所不能的材料。隨著對(duì)石墨烯研究的系統(tǒng)深入和完善，人們對(duì)石墨烯材料有了更客觀和全面的了解。

　　在集成電路中，石墨烯最大的優(yōu)勢(shì)是遷移率高，也就是電子“跑得快”，可以使晶體管運(yùn)算速度大幅提升。但是，晶體管工作不僅需要電子跑得快，還需要有良好的開關(guān)特性，也就是電子能“停得住”。因此，石墨烯晶體管在制造過程中需要進(jìn)行摻雜，這樣又會(huì)降低它的遷移率，失去本來的優(yōu)勢(shì)。如何既保證石墨烯晶體管高運(yùn)算速度，又保證高的開關(guān)性能，是石墨烯晶體管與芯片研制的關(guān)鍵。另外，石墨烯的優(yōu)異性能主要源自完美、平整的單層結(jié)構(gòu)。如何獲得晶圓尺寸、完美、平整的單層石墨烯結(jié)構(gòu)，仍然是目前石墨烯在集成電路應(yīng)用中的最大挑戰(zhàn)之一。

　　二維材料及其范德華異質(zhì)結(jié)電子學(xué)器件是后摩爾時(shí)代重要發(fā)展方向

　　記者：新型二維材料及范德華電子學(xué)器件會(huì)成為后摩爾時(shí)代的技術(shù)方向嗎？

　　張 躍：近年來，二維材料及其范德華異質(zhì)結(jié)電子學(xué)器件已經(jīng)在超低功耗晶體管、超快邏輯運(yùn)算、光電互聯(lián)以及新型高密度存儲(chǔ)等領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿?。美國、歐盟等國家和地區(qū)高度重視新型二維材料集成電路的發(fā)展，已經(jīng)先后開始實(shí)施了國家戰(zhàn)略計(jì)劃，積極推動(dòng)二維材料及其范德華異質(zhì)結(jié)電子學(xué)器件的研究，并取得應(yīng)用突破。IRDS（國際器件與系統(tǒng)發(fā)展路線）也將二維半導(dǎo)體材料作為未來集成電路溝道材料列入2028發(fā)展技術(shù)節(jié)點(diǎn)。國內(nèi)外知名集成電路企業(yè)也紛紛啟動(dòng)了二維材料及其范德華異質(zhì)結(jié)電子學(xué)器件的研究。

　　二維材料及其范德華電子學(xué)器件研究發(fā)展迅速，正處于即將取得突破性進(jìn)展的重要階段，也是知識(shí)產(chǎn)權(quán)爭奪最激烈的關(guān)鍵時(shí)期。然而，我國在該領(lǐng)域研究存在突破方向不集中、研究力量薄弱、協(xié)調(diào)統(tǒng)籌力度不足等問題。為了推動(dòng)我國二維材料及其范德華電子學(xué)器件的發(fā)展，我們要進(jìn)一步凝聚力量，建立明確的應(yīng)用需求導(dǎo)向，盡快實(shí)現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新與突破。

　　當(dāng)前，我們將著力圍繞二維材料與范德華電子學(xué)器件基礎(chǔ)理論體系、新原理高性能電子器件設(shè)計(jì)構(gòu)筑以及功能耦合與集成互聯(lián)技術(shù)等方面開展研究。力爭用三到五年的時(shí)間驗(yàn)證二維材料與范德華電子學(xué)器件在未來集成電路發(fā)展技術(shù)路線中的可行性，在與硅技術(shù)融合發(fā)展的新型二維材料及其范德華異質(zhì)結(jié)電子學(xué)器件領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破，推動(dòng)未來集成電路制造技術(shù)的變革性發(fā)展。

　　加速推進(jìn)關(guān)鍵材料技術(shù)突破，掌握未來核心技術(shù)

　　記者：您對(duì)我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展有哪些建議？

　　張 躍：硅基集成電路作為現(xiàn)代電子工業(yè)發(fā)展的主陣地，在進(jìn)入后摩爾時(shí)代面臨著功耗激增和成本上漲的巨大挑戰(zhàn)。發(fā)展新材料，探索與硅基技術(shù)兼容的新材料、新結(jié)構(gòu)器件集成制造技術(shù)，是未來集成電路的重要發(fā)展趨勢(shì)，也是后摩爾時(shí)代集成電路發(fā)展的主要技術(shù)路線之一。

　　在當(dāng)前信息技術(shù)發(fā)展處于尋求變革性材料的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)上，世界各主要?jiǎng)?chuàng)新型國家均在加大未來集成電路用下一代關(guān)鍵半導(dǎo)體材料的投入，爭奪核心技術(shù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)。二維材料具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)與性能優(yōu)勢(shì)，以及三維堆垛集成優(yōu)勢(shì)。與硅基融合發(fā)展的二維材料及其范德華異質(zhì)結(jié)電子學(xué)器件將是后摩爾時(shí)代重要方向。

　　縱觀集成電路的發(fā)展歷程，在過去的二十年時(shí)間里，應(yīng)變硅材料與技術(shù)、浸沒式曝光技術(shù)、High-k材料與技術(shù)、SOI技術(shù)以及FinFET技術(shù)等新材料與新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，推動(dòng)了集成電路的跨越式發(fā)展。然而，我們也要清醒地認(rèn)識(shí)到，這些技術(shù)突破都經(jīng)歷了漫長的研發(fā)周期和大量的人力、裝備和資金投入。因此，二維材料及其范德華異質(zhì)結(jié)電子學(xué)器件的研究與發(fā)展也必將是一個(gè)長遠(yuǎn)和系統(tǒng)的過程，是涉及信息、物理、材料、化學(xué)、機(jī)械、自動(dòng)化等多學(xué)科交叉的前沿領(lǐng)域，需要建立和完善二維材料與范德華異質(zhì)結(jié)基礎(chǔ)理論體系，發(fā)展二維范德華電子學(xué)器件構(gòu)筑與互聯(lián)技術(shù)，研制先進(jìn)原位表征與集成裝置，推動(dòng)未來集成電路產(chǎn)業(yè)變革性發(fā)展。

　　“一代材料，一代技術(shù)，一代裝備，一代產(chǎn)業(yè)”，誰能率先突破、拔得頭籌，誰就能在新一輪國際競爭中占據(jù)有利地位，成為引領(lǐng)未來的科技與產(chǎn)業(yè)革命的主導(dǎo)者。我國應(yīng)當(dāng)抓緊信息技術(shù)變革的重要戰(zhàn)略機(jī)遇期，加速推進(jìn)關(guān)鍵材料技術(shù)實(shí)現(xiàn)從“0”到“1”的重要突破。

　　作者丨許子皓

　　編輯丨連曉東

　　美編丨馬利亞