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“后摩尔时代”的战略性新材料研究

来源:新华日报2019-06-05 10:18

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  作者:南京大学物理学院教授 缪峰

  在过去半个世纪里,半导体信息产业得到了飞速发展,也极大地改变了人类的生活方式。这样飞速发展的背后是人类追求电子元器件最小化的不懈努力。更小的电子元器件意味着在同样大小的芯片中,可以集成的器件更多,实现的功能也更强大,这样指数级的发展趋势也被人们称为“摩尔定律”。但是,基于目前使用的材料,电子元器件继续微缩将面临漏电等诸多挑战,很快将到达最小化的极限,“摩尔定律”正在走向终结,人类社会也正在步入“后摩尔时代”。

  在后摩尔时代,主要的技术发展趋势将沿着两条道路。第一条道路我们叫做“超越摩尔”,从功能出发,实现电路的多功能扩展和多功能应用集成。另一条道路就是继续通过器件的尺寸微缩,来提升集成电路的密度,因为传统的材料很难突破自身的极限,我们有可能通过对新材料、新结构和新原理器件的研发来进一步推动集成电路的发展。

  一个重要的思路就是研究世界上最薄的材料,也就是厚度只有几个原子的层状材料,或者叫做二维材料。石墨烯是大家最熟悉的一种二维材料,对石墨烯最初的研究动机就是希望实现它的晶体管应用。可惜要实现这样的应用,石墨烯受限于一个天生的缺陷,就是它不是一个半导体。所以人们又继续寻找更有潜力的半导体型的二维材料,比如说硫化钼、黑磷等等。此外,人们还发现二维材料可以在原子尺度进行乐高式的堆叠和集成,有望成为后摩尔时代重要的基础电子材料。

  那么二维材料应用的挑战在哪里?在我看来主要包括这样几个方面,例如如何确定合适的材料体系和器件结构,怎样实现大面积的高质量材料合成,实现对材料性质的预测和精确调控,具备与已有加工工艺的良好兼容性,以及实现大规模器件性能的均一性与系统的可靠性等等。这些挑战都需要学术界和工业界的巨大努力。

  目前我们科技上被“卡脖子”的话题越来越多为国人所关注,其中集成电路就是最受关注的领域之一。我们集成电路制造工艺落后,自给率非常低。结合领域未来对战略性新材料的研究,我有这么几点思考:

  首先,沿着依赖先进工艺制程的器件持续微缩化的路线,我们一直在追赶,但是要实现超越非常困难。

  其次,后摩尔时代新器件将成为各国在集成电路领域竞相追逐的战略制高点,可能对产业格局产生颠覆性影响,性能、功耗、成本等多方面因素将综合决定最终的技术节点。

  最后,我国需要从基础研究出发,重点研发新材料、新结构和新原理的存储、逻辑、存算一体等器件,如果最终能够实现从器件单元到系统层面的技术突破,将有希望“破局”目前的困境。

  (本报记者杨频萍根据缪峰在华智论坛上的发言整理,经本人审阅)

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