編者按：隨著集成電路晶體管密度越來越接近物理極限，單純依靠提高制程來提升集成電路性能變得越來越困難。圍繞如何發展”后摩爾時代“的集成電路產業，全球都在積極尋找新技術、新方法和新路徑。為進一步推動中國集成電路在后摩爾時代的技術創新、加速產業發展，特推出相關領域院士訪談，探討后摩爾時代半導體產業的發展方向。
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幾十年來，集成電路產業一直遵循摩爾定律高速發展，制程節點正在逐漸向3納米演進。但是，受技術瓶頸和研制成本劇增等因素影響，摩爾定律正逼近極限。在后摩爾時代，誰會成為未來集成電路的技術方向呢？近日，中國科學院院士張躍接受了《中國電子報》記者專訪。
新型關鍵半導體材料研制是未來主要技術發展方向之一
記者：隨著后摩爾時代的演進，您認為延續摩爾定律的技術主要有哪些？
張 躍：過去的半個多世紀，摩爾定律成功地促進了半導體科學、工業技術與社會資本的深度融合，刺激了集成電路產業的飛速發展，也加速了人類從信息時代跨向人工智能時代的前進腳步。然而隨著尺寸微縮極限的到來，集成電路通過直接縮小溝道尺寸實現高集成度和高數據處理能力都面臨著巨大的挑戰。隨著集成電路從平面制造技術向三維制造技術發展，工藝復雜性以及制造成本顯著增加，集成電路制造技術進入了后摩爾時代。當前，人們正在從軟件架構、硬件結構、連接方式以及新材料制造等多方面努力尋找延續摩爾定律的方法。
從產業的角度看，目前集成電路的先進制程已經進入7納米和5納米工藝節點。然而，隨著極紫外（EUV）曝光技術等復雜制造工藝的引入和系統設計難度的增加，集成電路制造成本顯著提升。
從材料科學的角度看，傳統硅基材料在尺寸微縮極限下遇到的關鍵挑戰，是造成集成電路工藝復雜性和系統設計難度顯著提升的重要因素。首先，隨著晶體管集成度的提高，處于晶體管結構中的溝道半導體材料（如硅、鍺等）厚度減小到了10納米數量級，僅有幾十個原子大小。在這種情況下，量子限域效應會導致傳統半導體材料的電學性能顯著衰退，當達到一到兩個納米的極限尺寸時，硅、鍺等傳統半導體材料的遷移率都會接近零，成為不導電的絕緣體，無法實現晶體管的基本功能。
其次，傳統晶體管半導體器件的主要結構是異質結構。晶體管中涉及的材料很多，包括半導體材料、氧化物材料、金屬材料。一般地，采用外延生長工藝將兩種材料連接起來構成異質結構。然而在兩種材料連接的界面處，由于原子的大小和結合方式都不一樣，會產生很多沒有成鍵的電荷散射中心。隨著尺寸減小，這些電荷散射中心的不良影響顯著增加，晶體管中電荷傳輸效率低，需要更大的工作電壓驅動，導致器件功耗無法降低。
因此，如何克服尺寸微縮極限下傳統半導體材料性能衰退和異質結器件功耗大的瓶頸問題，是延續后摩爾定律的主要途徑之一。從目前的發展情況看，在未來的一段時間內，通過研發更高精度的工藝制造技術和更加優化的器件與系統架構的硅基集成電路仍然是主導全球集成電路發展的關鍵技術路線。但是，未雨綢繆，瞄準下一代工藝技術節點，研究可以彌補硅基技術路線中傳統半導體材料性能的短板，研制新型關鍵半導體材料將是未來重要的技術路線之一。
為此，美、日、韓、歐盟等國家和地區以及Intel、IBM、IMEC、三星、臺積電等主要廠商在未來技術路線中均把研發新型關鍵半導體材料作為重要的發展方向之一。我國也在聚焦高端芯片、集成電路裝備和工藝技術、集成電路關鍵材料等關鍵核心技術的研發。
后摩爾時代，全球科技界和產業界都處在積極探索和尋找下一代關鍵半導體材料的十字路口前。時不我待，緊緊抓住這個重大機遇期，突破新型關鍵半導體材料的技術瓶頸，將為我國引領未來科技與產業變革打下堅實基礎。
石墨烯晶體管集成電路的發展仍然面臨著巨大挑戰
記者：石墨烯技術在集成電路上有沒有發展前景？
張 躍：在人類社會的科技進步和產業發展中，碳材料家族一直起著舉足輕重的作用，比如煤炭是人類使用的主要能源之一，石墨是優秀的潤滑、導熱材料，碳纖維材料是工業制造和紡織品等領域的重要戰略材料。幾乎每一種碳材料的發現都會引起從科學到產業領域的廣泛關注。自低維碳材料興起以來，不斷涌現出零維富勒烯、一維碳納米管、二維石墨烯和石墨炔等碳的同素異形體。三十年來，新型低維碳材料的迅速發展極大地推動了信息電子、能源催化、航空航天、生物醫藥等領域的不斷進步。
石墨烯是碳材料家族的重要成員之一，從誕生之初就帶著閃亮的光環。從結構上，石墨烯是人類可以制造的最薄材料，它的厚度和一個原子的直徑相當，是頭發絲的六十萬分之一。從性能上，石墨烯獨特的狄拉克錐形能帶結構，使得其具有超高的載流子遷移率。這些都突破了人們對傳統材料認識和理解的極限，一時間石墨烯好像變成了無所不能的材料。隨著對石墨烯研究的系統深入和完善，人們對石墨烯材料有了更客觀和全面的了解。
在集成電路中，石墨烯最大的優勢是遷移率高，也就是電子“跑得快”，可以使晶體管運算速度大幅提升。但是，晶體管工作不僅需要電子跑得快，還需要有良好的開關特性，也就是電子能“停得住”。因此，石墨烯晶體管在制造過程中需要進行摻雜，這樣又會降低它的遷移率，失去本來的優勢。如何既保證石墨烯晶體管高運算速度，又保證高的開關性能，是石墨烯晶體管與芯片研制的關鍵。另外，石墨烯的優異性能主要源自完美、平整的單層結構。如何獲得晶圓尺寸、完美、平整的單層石墨烯結構，仍然是目前石墨烯在集成電路應用中的最大挑戰之一。
二維材料及其范德華異質結電子學器件是后摩爾時代重要發展方向
記者：新型二維材料及范德華電子學器件會成為后摩爾時代的技術方向嗎？
張 躍：近年來，二維材料及其范德華異質結電子學器件已經在超低功耗晶體管、超快邏輯運算、光電互聯以及新型高密度存儲等領域表現出巨大的發展潛力。美國、歐盟等國家和地區高度重視新型二維材料集成電路的發展，已經先后開始實施了國家戰略計劃，積極推動二維材料及其范德華異質結電子學器件的研究，并取得應用突破。IRDS（國際器件與系統發展路線）也將二維半導體材料作為未來集成電路溝道材料列入2028發展技術節點。國內外知名集成電路企業也紛紛啟動了二維材料及其范德華異質結電子學器件的研究。
二維材料及其范德華電子學器件研究發展迅速，正處于即將取得突破性進展的重要階段，也是知識產權爭奪最激烈的關鍵時期。然而，我國在該領域研究存在突破方向不集中、研究力量薄弱、協調統籌力度不足等問題。為了推動我國二維材料及其范德華電子學器件的發展，我們要進一步凝聚力量，建立明確的應用需求導向，盡快實現技術創新與突破。
當前，我們將著力圍繞二維材料與范德華電子學器件基礎理論體系、新原理高性能電子器件設計構筑以及功能耦合與集成互聯技術等方面開展研究。力爭用三到五年的時間驗證二維材料與范德華電子學器件在未來集成電路發展技術路線中的可行性，在與硅技術融合發展的新型二維材料及其范德華異質結電子學器件領域實現突破，推動未來集成電路制造技術的變革性發展。
加速推進關鍵材料技術突破，掌握未來核心技術
記者：您對我國半導體產業的創新發展有哪些建議？
張 躍：硅基集成電路作為現代電子工業發展的主陣地，在進入后摩爾時代面臨著功耗激增和成本上漲的巨大挑戰。發展新材料，探索與硅基技術兼容的新材料、新結構器件集成制造技術，是未來集成電路的重要發展趨勢，也是后摩爾時代集成電路發展的主要技術路線之一。
在當前信息技術發展處于尋求變革性材料的關鍵節點上，世界各主要創新型國家均在加大未來集成電路用下一代關鍵半導體材料的投入，爭奪核心技術知識產權。二維材料具有獨特的結構與性能優勢，以及三維堆垛集成優勢。與硅基融合發展的二維材料及其范德華異質結電子學器件將是后摩爾時代重要方向。
縱觀集成電路的發展歷程，在過去的二十年時間里，應變硅材料與技術、浸沒式曝光技術、High-k材料與技術、SOI技術以及FinFET技術等新材料與新技術不斷涌現，推動了集成電路的跨越式發展。然而，我們也要清醒地認識到，這些技術突破都經歷了漫長的研發周期和大量的人力、裝備和資金投入。因此，二維材料及其范德華異質結電子學器件的研究與發展也必將是一個長遠和系統的過程，是涉及信息、物理、材料、化學、機械、自動化等多學科交叉的前沿領域，需要建立和完善二維材料與范德華異質結基礎理論體系，發展二維范德華電子學器件構筑與互聯技術，研制先進原位表征與集成裝置，推動未來集成電路產業變革性發展。
“一代材料，一代技術，一代裝備，一代產業”，誰能率先突破、拔得頭籌，誰就能在新一輪國際競爭中占據有利地位，成為引領未來的科技與產業革命的主導者。我國應當抓緊信息技術變革的重要戰略機遇期，加速推進關鍵材料技術實現從“0”到“1”的重要突破。