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专访中国工程院院士周济:有关后摩尔时代的材料产业,谈机遇不如先谈挑战

2021-08-27   中国电子报   阅读量:76

    开栏的话:随着集成电路晶体管密度越来越接近物理极限,单纯依靠提高制程来提升集成电路性能变得越来越困难。围绕如何发展“后摩尔时代”的集成电路产业,全球都在积极寻找新技术、新方法和新路径。为进一步推动中国集成电路在后摩尔时代的技术创新、加速产业发展,中国半导体行业协会联合《中国电子报》推出“后摩尔时代技术演进院士谈”系列报道,将采访相关领域院士,探讨后摩尔时代半导体产业的发展方向。

    在集成电路产业的发展历程中,材料对产业持续技术创新起到至关重要的支撑作用。随着后摩尔时代的到来,半导体材料也将迎来翻天覆地的变化。甚至有人表示,硅基芯片的潜力将被挖掘殆尽,取而代之的将是碳基亦或其他材料。后摩尔时代,半导体材料究竟将怎样发展?会有哪些新的技术出现?中国工程院院士周济在接受记者专访时,给出了他的答案。

记者:在后摩尔时代,大规模半导体集成电路对功耗和集成密度的要求使得晶体管的开发需要在材料、制程、结构三个维度同步推进。在后摩尔时代,半导体材料的技术方向会有哪些发展?有哪些演进的方向?

    周 济:今天的大规模集成电路技术已经进入了知识高度密集、技术高度密集、资本高度密集、智力高度密集的阶段,这样庞大的技术系统在人类历史上绝无仅有。“船大难掉头”,因此我个人认为在相当长的时间里,这个技术系统很难发生颠覆性的变化。我的观点是:近期发展可能还需要最大程度上基于现有制程和硅基材料,通过结构改进和器件创新,如三维集成、异质集成、类脑结构以及更高密度的封装等,尽可能维系摩尔定律的趋势,目前看潜力依然存在。中期发展则可能寄希望于基础材料的技术突破,像宽禁带半导体或一些二维半导体材料等如果能取代硅成为集成电路基材,则有望使集成电路技术上一个新台阶。而远期则基于新原理的新一代信息技术,如全光信息、量子信息、分子电子学等,其技术形态可能会有大的改变。

    记者:从应用角度来看,在后摩尔时代,半导体材料工艺最大的发展机遇在何处?

    周 济:这个问题可能需要从两个方面分析。首先,在目前的集成电路技术系统框架下,与其在这里谈材料的机遇,不如谈挑战。高性能材料和材料工艺的提高一直是有强烈需求的,因为材料性能越高,则越接近器件设计的理论预期,越容易实现精准设计的高性能器件和电路。从材料工艺上看,如何获得性能更优、纯度更高、缺陷更少、单晶尺寸更大、更易实现加工的半导体材料,过去、现在和将来将一直是集成电路技术发展的瓶颈。另一方面,假如我们有可能跳出目前的硅基技术框架,通过材料创新实现集成电路技术的突破,的确有可能找到一些新机遇,如宽禁带半导体、碳基半导体等,但目前还无法做出精准预测。这些新材料能否成为技术主流,究竟能走多远,既依赖于材料的本征特性,也依赖于多方面的支撑条件,如材料生长技术、电路设计、制程工艺等。总而言之,今天的信息技术很难像70多年前半导体的发现那样,仅仅靠一种材料在短时间内带来翻天覆地的变革。

    记者:碳化硅、氮化镓等宽禁带半导体被视为后摩尔时代的重点发展方向。宽禁带半导体将突破传统材料的哪些瓶颈?为半导体产业带来哪些新的可能?

    周 济:相对于硅材料,宽禁带半导体具有很多优点,特别是在大功率、高频、高速、高温应用方面具有优异的表现,可填补硅基材料无法工作的领域。假如有一天宽禁带半导体在材料生长、器件工艺方面均能到达和目前硅技术同样的成熟度而取代硅,无疑会为集成电路技术注入新动能。但我个人从材料科学和技术的角度去观察,走到这步还需要一定的时间。

    记者:业内有观点称,在后摩尔时代,硅基材料芯片的潜力已被挖掘殆尽,石墨烯将取代硅基材料,对此您怎么看?

    周 济:石墨烯作为一种二维半导体材料,具有非常高的迁移率和很多奇异的电子特性,在电子信息技术领域的确有很诱人的应用前景。但作为一种基本半导体材料,还需要满足很多其他方面的要求,如是否易于进行性能剪裁以获得像硅材料和器件一样衍生出的丰富功能、能否实现器件的大规模集成化等。在这些方面,我个人认为,断言石墨烯会取代硅目前为时过早,即便有一天硅被其他材料所取代,石墨烯也不一定是唯一选择。

    记者:超材料将如何延续半导体技术?未来将有哪些重点应用领域?

    周 济:超材料是我个人目前的一个主要研究方向。我一直认为超材料不仅仅是一类材料,它是一种通过人工结构突破现有材料性能局限的方法。这种方法在半导体技术领域中有可能会有一些应用,比如利用超材料透镜,理论上讲可以实现无像差的成像,这样的技术如果用到光刻机上,就有可能用较长波长的光实现较高的加工精度,可能使光刻机的技术门槛大幅度降低。当然,我认为在后摩尔时代,超材料最有前景的领域是全光信息技术,因为超材料在调控光方面是非常有效的。

    记者:在后摩尔时代,中国本土的半导体技术,是否能够通过材料技术占领半导体技术的制高点?

    周 济:这种可能性是有的。与器件制程和装备相比,材料的产业链和创新链相对较短,涉及的问题也相对单纯一些。我们国家的材料科技人才资源在世界各国是规模最大的,各种科研产出指标也是最高的。但如何将人才资源优势转化为尖端技术研发优势,是值得我们思考的问题。

    记者:经济高质量发展急需高水平基础研究的供给和支撑。您认为在加强半导体材料领域的基础研究方面,该如何做?有哪些要点需要注意?

    周 济:半导体材料的基础研究非常重要,我们国家也一直非常重视。我认为目前最紧迫的问题是要澄清基础研究的目的。我们有一种误解,认为基础研究的产出必须用学术论文来体现。这样的观念以及由此形成的政策导向,对像半导体材料这样相对成熟的研究领域的伤害是非常大的,因为这将驱使科学家不得不去追求华而不实的事情。其实基础研究应该定位在基础科学问题上,就半导体材料而言,半导体物理问题已经相当清楚,但像大尺寸、高质量半导体材料的工艺原理,如在特定环境中的半导体单晶生长热力学问题、如何有效控制半导体中的缺陷、如何提高材料的纯度等对,这些至关重要的基础科学问题,然而却因无法出文章而鲜有人问津。事实上,国外支持的材料基础研究,有很多都是不需要出文章的工作,鼓励科学家把材料和工艺问题搞细、搞透,积累大量数据,需要什么样的材料或工艺,短时间内就能研发出来。

    记者:从去年第四季度至今,全球市场一直处于缺芯的状态之下。您认为造成本次“芯片荒”的主要原因是什么?要避免再次出现如此严重的缺芯情况应该注意哪些方面?

    周 济:我不是这方面的专家。但我认为目前全球疫情蔓延,属于非常时期,芯片极度短缺情况应该是短暂的,而不会是常态。当然这种情况也的确反映了芯片需求旺盛的一种趋势。但我觉得不应该以此为依据盲目、无序地上相关项目。

    记者:人才是半导体产业持续发展的关键。国家对半导体领域的人才培育也十分重视,国务院学位委员会批准成立“集成电路科学与工程”一级学科。国内在半导体人才培养方面有何短板?该如何弥补?

    周 济:“集成电路科学与工程”作为一级学科体现国家对发展集成电路产业的重视。我个人能看到的是,目前半导体人才培养方面的一个短板是交叉型人才。集成电路作为一个庞大的技术系统,融合了电子学、材料科学与工程、物理学、计算科学、化学、机械工程、光学工程、精密仪器、自动控制等领域的成果,能跨越这些学科壁垒的人才可能更具有创新潜力。因此“集成电路科学与工程”应该建成一个高度交叉的学科,融合多学科的内容,而不应该仅仅是原来微电子学学科的延伸。举个例子,40多年前我读本科时的专业叫“半导体化学”,是个五年制专业,这个专业现在已经不存在了。我们当时按照物理专业的教学方案学物理、按照化学专业学化学,在这样的基础上学半导体和电子学,学下来就有融会贯通的效果,培养出来的人可以在多个方向上切换,适应新东西的能力比较强。“集成电路科学与工程”作为一级学科,有了较大的自由度,恰恰提供了一个跨学科平台,下面可以设立若干个跨专业的二级学科,有助于培养适应这个领域高速发展的人才。另外一个相关的问题是如何能吸引包括集成电路专业和其他相关专业的高质量人才进入集成电路行业,特别是从事集成电路制造业,需要在体制、机制上下功夫。