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中国工程院院士周济:超材料或延续摩尔定律

2020-09-01
来源: 中国电子报

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  半导体行业的发展使得传统意义上的摩尔定律受到了不同程度的质疑,甚至有声音说:“摩尔定律要失效了!”因此,如何延续摩尔定律成了当今半导体行业热议的话题。日前,中国工程院院士、清华大学材料学院教授周济在接受《中国电子报》记者专访时表示,超材料有可能从工艺和原理两方面延续摩尔定律,为信息技术的进一步发展提供新的技术路线。

  两种方式延续摩尔定律

  一直以来,半导体器件的发展趋势都沿续于摩尔定律的规则:集成电路中可容纳的晶体管数量每经过18~24个月总数增长一倍。然而,随着芯片制程越来越接近工艺极限和物理极限,摩尔定律能否持续生效也开始受到质疑。

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  为了不让摩尔定律“失效”,业界采取了各种不同的方式去延续摩尔定律。目前,业界主流的演进方式大致可分为两类:一是导入EUV,透过高能量、波长短的光源,将电路图案转印到晶圆;二是异质整合,将晶体管垂直堆栈,将两种不同制程、不同性质的芯片透过半导体制程技术整合在一起。而无论是哪种方式,都面临着巨大的挑战。

  周济认为,将超材料引入到半导体技术,有望在工艺和原理两个方面进一步延续摩尔定律。在工艺方面,通常情况下,为了能够实现更先进的工艺制程,在集成电路制造过程中,光刻机往往用深紫外和极紫外作为光源。那么,能否用普通(可见光)光源实现高精度光刻,从而延续摩尔定律呢?周济在接受《中国电子报》记者采访时说:“答案是肯定的,而这种技术的实现便来自于超材料。”而在原理方面,超材料也可能给出一些全新的原理和技术路线,例如,通过超材料中的模态耦合实现高速低功率的全光信息处理技术。

  超材料走进集成电路领域

  何为超材料?它有哪些属性?在集成电路的制造过程中又发挥着怎样的作用?周济给《中国电子报》记者解答了这些问题。他介绍说,超材料是通过设计获得的、具有自然材料所不具备的超常物理性能的人工材料。其材料性质主要来源于人工结构而非构成其结构的材料组分。所以,在人为设计、控制的情况下,它能以全新的方式对物理场进行操控,进而创造出多种不寻常的物理效应。例如,在光学方面,它可实现负折射、相位全相片、超级透镜等效果,甚至实现《哈利波特》中的隐身斗篷的效果。

  超材料的存在可以把很多看似不可能的事情变为可能。周济以韦塞拉格的思想实验为例向记者介绍道,当某种物质同时具有负的介电常数和负的磁导率时,会产生一系列奇异的性质,如负折射、无像差成像、反常多普勒效应等,打破人们对于光学的传统认知。对于半导体产业而言,超材料的应用可提供一些颠覆性技术。

  超材料有可能拯救摩尔定律

  那么超材料能为芯片的生产提供哪些新的、超常态的技术呢?周济介绍,若想从原理上延续摩尔定律,其一,可以利用超材料技术制成超透镜,这可能进一步提升纳米光刻技术水平,从而延续摩尔定律;其二,可以利用超材料思想构造“人造原子”,从而实现一些新颖的、有可调控电子带隙的人造半导体,从而满足更高的技术要求;其三,可以通过超材料实现高性能全光信息技术,从根本上解决电子带隙材料面临的问题。

  周济表示,利用超透镜技术可打破光学成像中的衍射极限,使得光刻图形的尺寸不再依赖于光刻所使用的波长,从而可以利用可见光波段的激光器实现几个纳米甚至更小尺度的光刻,从而在芯片制程方面能够有进一步的突破,延续摩尔定律。

  半导体材料在高频下无法应用也是阻碍摩尔定义延续的一大难题,但这也有解决之道。周济介绍,运用人造原子,仅靠电子在人工原子之间的遂穿就可以设计出具有不同带隙结构的半导体,从而获得良好的高频特性。

  在全光信息技术方面,目前的主要制约瓶颈就是全光信息处理。用光调控光这一传统方法通常采用非线性光学,即通过强光改变材料的光学性质。这样的过程往往需要较长的响应时间和较高的驱动光强度。而利用超材料,可在不改变材料自身性质的前提下只改变超材料的性质,从而实现高速低功率的全光调控。

  随着摩尔定律的逐步“失效”,学术界及产业界都对超材料领域给予了厚望。周济认为,在不久的将来,超材料将能够为信息产业、特别是芯片产业提供具有颠覆性的技术源头,这一点值得人们的关注和期待。

  


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