超材料或?qū)⒀永m(xù)摩爾定律？

沈叢

半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展使得傳統(tǒng)意義上的摩爾定律受到了不同程度的質(zhì)疑，甚至有聲音說(shuō)：“摩爾定律要失效了！”因此，如何延續(xù)摩爾定律成了當(dāng)今半導(dǎo)體行業(yè)熱議的話題。日前，中國(guó)工程院院士、清華大學(xué)材料學(xué)院教授周濟(jì)在接受《中國(guó)電子報(bào)》記者專訪時(shí)表示，超材料有可能從工藝和原理兩方面延續(xù)摩爾定律，為信息技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供新的技術(shù)路線。

兩種方式

延續(xù)摩爾定律

一直以來(lái)，半導(dǎo)體器件的發(fā)展趨勢(shì)都沿續(xù)摩爾定律的規(guī)則：集成電路中可容納的晶體管數(shù)量每經(jīng)過(guò)18～24個(gè)月總數(shù)增長(zhǎng)一倍。然而，隨著芯片制程越來(lái)越接近工藝極限和物理極限，摩爾定律能否持續(xù)生效也開(kāi)始受到質(zhì)疑。

為了不讓摩爾定律“失效”，業(yè)界采取了各種不同的方式去延續(xù)摩爾定律。目前業(yè)界主流的演進(jìn)方式大致可分為兩類：一是導(dǎo)人EUV，通過(guò)高能量、波長(zhǎng)短的光源，將電路圖案轉(zhuǎn)印到晶圓;二是異質(zhì)整合，將晶體管垂直堆棧，將兩種不同制程、不同性質(zhì)的芯片通過(guò)半導(dǎo)體制程技術(shù)整合在一起。而無(wú)論是哪種方式，都面臨著巨大的挑戰(zhàn)。

周濟(jì)認(rèn)為，將超材料引入到半導(dǎo)體技術(shù)，有望在工藝和原理兩個(gè)方面進(jìn)一步延續(xù)摩爾定律。在工藝方面，通常情況下，為了能夠?qū)崿F(xiàn)更先進(jìn)的工藝制程，在集成電路制造過(guò)程中，光刻機(jī)往往用深紫外和極紫外作為光源。那么，能否用普通（可見(jiàn)光）光源實(shí)現(xiàn)高精度光刻，從而延續(xù)摩爾定律呢？周濟(jì)在接受《中國(guó)電子報(bào)》記者采訪時(shí)說(shuō)：“答案是肯定的，而這種技術(shù)的實(shí)現(xiàn)便來(lái)自于超材料。”而在原理方面，超材料也可能給出一些全新的原理和技術(shù)路線，例如，通過(guò)超材料中的模態(tài)耦合實(shí)現(xiàn)高速低功率的全光信息處理技術(shù)。

超材料

走進(jìn)集成電路領(lǐng)域

何為超材料？它有哪些屬性？在集成電路的制造過(guò)程中又發(fā)揮著怎樣的作用？周濟(jì)給《中國(guó)電子報(bào)》記者解答了這些問(wèn)題。他介紹說(shuō)，超材料是通過(guò)設(shè)計(jì)獲得的、具有自然材料所不具備的超常物理性能的人工材料。其材料性質(zhì)主要來(lái)源于人工結(jié)構(gòu)而非構(gòu)成其結(jié)構(gòu)的材料組分。所以在人為設(shè)計(jì)、控制的情況下，它能以全新的方式對(duì)物理場(chǎng)進(jìn)行操控，進(jìn)而創(chuàng)造出多種不尋常的物理效應(yīng)。例如在光學(xué)方面，它可實(shí)現(xiàn)負(fù)折射、相位全相片、超級(jí)透鏡等效果，甚至實(shí)現(xiàn)《哈利波特》中的隱身斗篷的效果。

超材料的存在可以把很多看似不可能的事情變?yōu)榭赡堋Ｖ軡?jì)以韋塞拉格的思想實(shí)驗(yàn)為例向記者介紹道，當(dāng)某種物質(zhì)同時(shí)具有負(fù)的介電常數(shù)和負(fù)的磁導(dǎo)率時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一系列奇異的性質(zhì)，如負(fù)折射、無(wú)像差成像、反常多普勒效應(yīng)等，打破人們對(duì)于光學(xué)的傳統(tǒng)認(rèn)知。對(duì)于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)而言，超材料的應(yīng)用可提供一些顛覆性技術(shù)。

超材料

有可能拯救摩爾定律

那么超材料能為芯片的生產(chǎn)提供哪些新的、超常態(tài)的技術(shù)呢？周濟(jì)介紹，若想從原理。上延續(xù)摩爾定律，其一，可以利用超材料技術(shù)制成超透鏡，這可能進(jìn)一步提升納米光刻技術(shù)水平，從而延續(xù)摩爾定律;其二，可以利用超材料思想構(gòu)造“人造原子”，從而實(shí)現(xiàn)一些新穎的、有可調(diào)控電子帶隙的人造半導(dǎo)體，從而滿足更高的技術(shù)要求;其三，可以通過(guò)超材料實(shí)現(xiàn)高性能全光信息技術(shù)，從根本上解決電子帶隙材料面臨的問(wèn)題。

周濟(jì)表示，利用超透鏡技術(shù)可打破光學(xué)成像中的衍射極限，使得光刻圖形的尺寸不再依賴于光刻所使用的波長(zhǎng)，從而可以利用可見(jiàn)光波段的激光器實(shí)現(xiàn)幾個(gè)納米甚至更小尺度的光刻，從而在芯片制程方面能夠有進(jìn)一步的突破，延續(xù)摩爾定律。

半導(dǎo)體材料在高頻下無(wú)法應(yīng)用也是阻礙摩爾定義延續(xù)的一大難題，但這也有解決之道。周濟(jì)介紹，運(yùn)用人造原子，僅靠電子在人工原子之間的遂穿就可以設(shè)計(jì)出具有不同帶隙結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體，從而獲得良好的高頻特性。

在全光信息技術(shù)方面，目前的主要制約瓶頸就是全光信息處理。用光調(diào)控光這一傳統(tǒng)方法通常采用非線性光學(xué)，即通過(guò)強(qiáng)光改變材料的光學(xué)性質(zhì)。這樣的過(guò)程往往需要較長(zhǎng)的響應(yīng)時(shí)間和較高的驅(qū)動(dòng)光強(qiáng)度。而利用超材料，可在不改變材料自身性質(zhì)的前提下只改變超材料的性質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)高速低功率的全光調(diào)控。

隨著摩爾定律的逐步“失效”，學(xué)術(shù)界及產(chǎn)業(yè)界都對(duì)超材料領(lǐng)域寄予了厚望。周濟(jì)認(rèn)為，在不久的將來(lái)，超材料將能夠?yàn)樾畔a(chǎn)業(yè)、特別是芯片產(chǎn)業(yè)提供具有顛覆性的技術(shù)源頭，這點(diǎn)值得人們的關(guān)注和期待。