“在過去幾年的研究中，我主要聚焦在用新材料創造發明新的電子器件和系統。矽目前是積體電路的主要載體，但是遇到了挑戰和極限。我在團隊中利用新型二維原子晶體幫助矽技術解決問題，突破極限。”復旦大學微電子學院教授周鵬近日的演講《用新技術創造晶片中的可靠“風洞”與“曲率飛行”》，給同學們留下了深刻印象。
憑藉“風洞”和“曲率飛行”等創新理念，周鵬團隊近年來在積體電路新機理、新材料和新器件研究與應用上取得一系列成果，在2020年度上海市科學技術獎表彰中被授予“青年科技傑出貢獻獎”。這些成果的科學原理是什麼？對於積體電路產業未來發展有什麼影響？解放日報·上觀新聞記者採訪了周鵬教授。
用二維半導體新材料構建“風洞”
風洞即風洞實驗室，是以人工方式產生並控制氣流，用來模擬飛行器、汽車等實體周圍氣體的流動情況，並可度量氣流對實體的作用效果以及觀察物理現象的一種管道狀實驗裝置。積體電路領域的“風洞”是什麼呢？周鵬解釋說，二維半導體新材料可以用作半導體器件新結構、新原理的“風洞”，因為這類材料構成的新器件與矽器件遵循共同的物理規律，能起到模擬矽材料半導體新器件的效果。
之所以用二維半導體新材料代替矽開展實驗，是因為矽的先進工藝流程過於昂貴，比如3奈米工藝節點的矽器件完成晶片設計後，流片實驗的成本高達上億元。因此，實驗成本較低的二維半導體新材料就成了微電子技術前沿探索的“香餑餑”。
這類新材料源於石墨烯。2010年，曼徹斯特大學物理學家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫因製備出石墨烯獲得諾貝爾物理學獎。這是一種由碳原子緊密堆積成單層二維蜂窩狀晶格結構的新材料，具有優異的光學、電學、力學特性。石墨烯的穩定存在，打破了“單層原子二維材料不能穩定存在”這個科學界的固有觀念，催生了一批二維新材料，如硫化鉬、硒化鎢、氮化硼。理論研究預測，這類層狀的二維新材料有6000多種。
復旦大學教授張衛、周鵬團隊成員劉春森在實驗室工作。新華社發
經過多次實驗，復旦微電子團隊發現硫化鉬、硒化鎢很適合用作“風洞”，模仿在矽工藝線上的新機制器件實驗。硫化鉬和硒化鎢構成的新器件特性，能反映出一些普適規律，這些規律對矽材料同樣適用。透過建立新器件的物理模型，科研人員只要調整材料和相應引數，就能預測矽基新器件的各種效能。
探明MBCFET新型電晶體技術原理
“風洞”實驗讓周鵬團隊探明瞭MBCFET（多橋溝道晶場效應電晶體）的技術原理，並開發出模型器件。這方面成果可以整合到國產EDA（電子設計自動化）軟體上，為研發和生產這種3—5奈米節點的新型電晶體提供利器。
什麼是MBCFET？這要從摩爾定律講起。摩爾定律由英特爾創始人戈登·摩爾提出，預測在價格不變情況下，積體電路上可容納的元器件數目和效能，每隔18—24個月會增加或提升1倍。如今，全球最先進的晶片製造企業臺積電已進入5奈米節點量產階段。在5奈米以下的工藝節點上，摩爾定律能否依然有效？這在很大程度上取決於電晶體結構的創新。MBCFET就是一種新型電晶體，屬於GAAFET（環繞式柵極技術電晶體）這類業界普遍看好的下一代電晶體。
三星已表示，公司將在3奈米這個節點上使用 MBCFET 技術。與奈米線技術相比，MBCFET擁有更大的柵極接觸面積，所以在效能、功耗控制上會更加出色。
復旦大學教授張衛、周鵬團隊成員在觀察矽片表面。新華社發
由此可見，掌握MBCFET技術對我國積體電路產業非常重要，未來的3—5奈米節點很可能採用這種技術。復旦團隊探明MBCFET的技術原理並研製出模型器件後，為產業未來發展探索出一條有望走通的路徑。
發明第三類儲存技術實現“兼得”
在儲存器領域，周鵬和同事們也取得了顛覆性創新成果。他們研製出二維半導體“準非易失儲存”原型器件，發明了第三類儲存技術，解決了半導體電荷儲存技術中“寫入速度”與“非易失性”難以兼得的難題。
目前，半導體電荷儲存技術主要有兩類。一類是易失性儲存，例如電腦記憶體，掉電後資料會立即消失；另一類是非易失性儲存，例如隨身碟，寫入資料後不需要額外能量就能儲存10年。速度方面，易失性儲存可在幾納秒左右寫入資料，非易失性儲存則需要幾微秒至幾十微秒才能把資料儲存下來。
能否將兩類儲存技術的優勢合二為一？復旦大學微電子學院教授張衛、周鵬團隊利用二維半導體新材料研發的新型儲存技術，既能在10納秒左右寫入資料，又實現了按需定製（10秒—10年）的可調控資料準非易失特性。
用於準非易失應用的範德瓦爾斯結構半浮柵儲存（仲昭宇製圖）
如果將這一技術應用於電腦記憶體，在較高儲存速度和較長儲存時間的條件下，就不必高頻重新整理，這對降低能耗有重要價值。對於這項發表在《自然·奈米技術》雜誌上的重要成果，國外評審專家給予了高度評價：“他們製造的器件非常巧妙，對論文作者在製造工藝中的精湛技藝表示祝賀。這種器件設計提升了範德華異質結構電子應用領域的最高技術水平。”
欄目主編：黃海華 文字編輯：俞陶然 題圖來源：新華社
來源：作者：俞陶然
