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2019年8月22日
[本篇訪問: 2416]
繆峰:“后摩爾時代”的戰略性新材料研究

在過去半個世紀里,半導體信息產業得到了飛速發展,也極大地改變了人類的生活方式。這樣飛速發展的背后是人類追求電子元器件最小化的不懈努力。更小的電子元器件意味著在同樣大小的芯片中,可以集成的器件更多,實現的功能也更強大,這樣指數級的發展趨勢也被人們稱為“摩爾定律”。但是,基于目前使用的材料,電子元器件繼續微縮將面臨漏電等諸多挑戰,很快將到達最小化的極限,“摩爾定律”正在走向終結,人類社會也正在步入“后摩爾時代”。

在后摩爾時代,主要的技術發展趨勢將沿著兩條道路。第一條道路我們叫做“超越摩爾”,從功能出發,實現電路的多功能擴展和多功能應用集成。另一條道路就是繼續通過器件的尺寸微縮,來提升集成電路的密度,因為傳統的材料很難突破自身的極限,我們有可能通過對新材料、新結構和新原理器件的研發來進一步推動集成電路的發展。

一個重要的思路就是研究世界上最薄的材料,也就是厚度只有幾個原子的層狀材料,或者叫做二維材料。石墨烯是大家最熟悉的一種二維材料,對石墨烯最初的研究動機就是希望實現它的晶體管應用?上б獙崿F這樣的應用,石墨烯受限于一個天生的缺陷,就是它不是一個半導體。所以人們又繼續尋找更有潛力的半導體型的二維材料,比如說硫化鉬、黑磷等等。此外,人們還發現二維材料可以在原子尺度進行樂高式的堆疊和集成,有望成為后摩爾時代重要的基礎電子材料。

那么二維材料應用的挑戰在哪里?在我看來主要包括這樣幾個方面,例如如何確定合適的材料體系和器件結構,怎樣實現大面積的高質量材料合成,實現對材料性質的預測和精確調控,具備與已有加工工藝的良好兼容性,以及實現大規模器件性能的均一性與系統的可靠性等等。這些挑戰都需要學術界和工業界的巨大努力。

目前我們科技上被“卡脖子”的話題越來越多為國人所關注,其中集成電路就是最受關注的領域之一。我們集成電路制造工藝落后,自給率非常低。結合領域未來對戰略性新材料的研究,我有這么幾點思考:

首先,沿著依賴先進工藝制程的器件持續微縮化的路線,我們一直在追趕,但是要實現超越非常困難。

其次,后摩爾時代新器件將成為各國在集成電路領域競相追逐的戰略制高點,可能對產業格局產生顛覆性影響,性能、功耗、成本等多方面因素將綜合決定最終的技術節點。

最后,我國需要從基礎研究出發,重點研發新材料、新結構和新原理的存儲、邏輯、存算一體等器件,如果最終能夠實現從器件單元到系統層面的技術突破,將有希望“破局”目前的困境。

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