開欄的話：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(fā)展“后摩爾時(shí)代”的集成電路產(chǎn)業(yè)，全球都在積極尋找新技術(shù)、新方法和新路徑。為進(jìn)一步推動(dòng)中國集成電路在后摩爾時(shí)代的技術(shù)創(chuàng)新、加速產(chǎn)業(yè)發(fā)展，中國半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)聯(lián)合《中國電子報(bào)》推出“后摩爾時(shí)代技術(shù)演進(jìn)院士談”系列報(bào)道，將采訪相關(guān)領(lǐng)域院士，探討后摩爾時(shí)代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向。
在集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展歷程中，材料對(duì)產(chǎn)業(yè)持續(xù)技術(shù)創(chuàng)新起到至關(guān)重要的支撐作用。隨著后摩爾時(shí)代的到來，半導(dǎo)體材料也將迎來翻天覆地的變化。甚至有人表示，硅基芯片的潛力將被挖掘殆盡，取而代之的將是碳基亦或其他材料。后摩爾時(shí)代，半導(dǎo)體材料究竟將怎樣發(fā)展？會(huì)有哪些新的技術(shù)出現(xiàn)？中國工程院院士周濟(jì)在接受記者專訪時(shí)，給出了他的答案。
記者：在后摩爾時(shí)代，大規(guī)模半導(dǎo)體集成電路對(duì)功耗和集成密度的要求使得晶體管的開發(fā)需要在材料、制程、結(jié)構(gòu)三個(gè)維度同步推進(jìn)。在后摩爾時(shí)代，半導(dǎo)體材料的技術(shù)方向會(huì)有哪些發(fā)展？有哪些演進(jìn)的方向？
周濟(jì)：今天的大規(guī)模集成電路技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入了知識(shí)高度密集、技術(shù)高度密集、資本高度密集、智力高度密集的階段，這樣龐大的技術(shù)系統(tǒng)在人類歷史上絕無僅有。“船大難掉頭”，因此我個(gè)人認(rèn)為在相當(dāng)長的時(shí)間里，這個(gè)技術(shù)系統(tǒng)很難發(fā)生顛覆性的變化。我的觀點(diǎn)是：近期發(fā)展可能還需要最大程度上基于現(xiàn)有制程和硅基材料，通過結(jié)構(gòu)改進(jìn)和器件創(chuàng)新，如三維集成、異質(zhì)集成、類腦結(jié)構(gòu)以及更高密度的封裝等，盡可能維系摩爾定律的趨勢(shì)，目前看潛力依然存在。中期發(fā)展則可能寄希望于基礎(chǔ)材料的技術(shù)突破，像寬禁帶半導(dǎo)體或一些二維半導(dǎo)體材料等如果能取代硅成為集成電路基材，則有望使集成電路技術(shù)上一個(gè)新臺(tái)階。而遠(yuǎn)期則基于新原理的新一代信息技術(shù)，如全光信息、量子信息、分子電子學(xué)等，其技術(shù)形態(tài)可能會(huì)有大的改變。
記者：從應(yīng)用角度來看，在后摩爾時(shí)代，半導(dǎo)體材料工藝最大的發(fā)展機(jī)遇在何處？
周濟(jì)：這個(gè)問題可能需要從兩個(gè)方面分析。首先，在目前的集成電路技術(shù)系統(tǒng)框架下，與其在這里談材料的機(jī)遇，不如談挑戰(zhàn)。高性能材料和材料工藝的提高一直是有強(qiáng)烈需求的，因?yàn)椴牧闲阅茉礁?，則越接近器件設(shè)計(jì)的理論預(yù)期，越容易實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)設(shè)計(jì)的高性能器件和電路。從材料工藝上看，如何獲得性能更優(yōu)、純度更高、缺陷更少、單晶尺寸更大、更易實(shí)現(xiàn)加工的半導(dǎo)體材料，過去、現(xiàn)在和將來將一直是集成電路技術(shù)發(fā)展的瓶頸。另一方面，假如我們有可能跳出目前的硅基技術(shù)框架，通過材料創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)集成電路技術(shù)的突破，的確有可能找到一些新機(jī)遇，如寬禁帶半導(dǎo)體、碳基半導(dǎo)體等，但目前還無法做出精準(zhǔn)預(yù)測(cè)。這些新材料能否成為技術(shù)主流，究竟能走多遠(yuǎn)，既依賴于材料的本征特性，也依賴于多方面的支撐條件，如材料生長技術(shù)、電路設(shè)計(jì)、制程工藝等?？偠灾?，今天的信息技術(shù)很難像70多年前半導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)那樣，僅僅靠一種材料在短時(shí)間內(nèi)帶來翻天覆地的變革。
記者：碳化硅、氮化鎵等寬禁帶半導(dǎo)體被視為后摩爾時(shí)代的重點(diǎn)發(fā)展方向。寬禁帶半導(dǎo)體將突破傳統(tǒng)材料的哪些瓶頸？為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)帶來哪些新的可能？
周濟(jì)：相對(duì)于硅材料，寬禁帶半導(dǎo)體具有很多優(yōu)點(diǎn)，特別是在大功率、高頻、高速、高溫應(yīng)用方面具有優(yōu)異的表現(xiàn)，可填補(bǔ)硅基材料無法工作的領(lǐng)域。假如有一天寬禁帶半導(dǎo)體在材料生長、器件工藝方面均能到達(dá)和目前硅技術(shù)同樣的成熟度而取代硅，無疑會(huì)為集成電路技術(shù)注入新動(dòng)能。但我個(gè)人從材料科學(xué)和技術(shù)的角度去觀察，走到這步還需要一定的時(shí)間。
記者：業(yè)內(nèi)有觀點(diǎn)稱，在后摩爾時(shí)代，硅基材料芯片的潛力已被挖掘殆盡，石墨烯將取代硅基材料，對(duì)此您怎么看？
周濟(jì)：石墨烯作為一種二維半導(dǎo)體材料，具有非常高的遷移率和很多奇異的電子特性，在電子信息技術(shù)領(lǐng)域的確有很誘人的應(yīng)用前景。但作為一種基本半導(dǎo)體材料，還需要滿足很多其他方面的要求，如是否易于進(jìn)行性能剪裁以獲得像硅材料和器件一樣衍生出的豐富功能、能否實(shí)現(xiàn)器件的大規(guī)模集成化等。在這些方面，我個(gè)人認(rèn)為，斷言石墨烯會(huì)取代硅目前為時(shí)過早，即便有一天硅被其他材料所取代，石墨烯也不一定是唯一選擇。
記者：超材料將如何延續(xù)半導(dǎo)體技術(shù)？未來將有哪些重點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域？
周濟(jì)：超材料是我個(gè)人目前的一個(gè)主要研究方向。我一直認(rèn)為超材料不僅僅是一類材料，它是一種通過人工結(jié)構(gòu)突破現(xiàn)有材料性能局限的方法。這種方法在半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域中有可能會(huì)有一些應(yīng)用，比如利用超材料透鏡，理論上講可以實(shí)現(xiàn)無像差的成像，這樣的技術(shù)如果用到光刻機(jī)上，就有可能用較長波長的光實(shí)現(xiàn)較高的加工精度，可能使光刻機(jī)的技術(shù)門檻大幅度降低。當(dāng)然，我認(rèn)為在后摩爾時(shí)代，超材料最有前景的領(lǐng)域是全光信息技術(shù)，因?yàn)槌牧显谡{(diào)控光方面是非常有效的。
記者：在后摩爾時(shí)代，中國本土的半導(dǎo)體技術(shù)，是否能夠通過材料技術(shù)占領(lǐng)半導(dǎo)體技術(shù)的制高點(diǎn)？
周濟(jì)：這種可能性是有的。與器件制程和裝備相比，材料的產(chǎn)業(yè)鏈和創(chuàng)新鏈相對(duì)較短，涉及的問題也相對(duì)單純一些。我們國家的材料科技人才資源在世界各國是規(guī)模最大的，各種科研產(chǎn)出指標(biāo)也是最高的。但如何將人才資源優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為尖端技術(shù)研發(fā)優(yōu)勢(shì)，是值得我們思考的問題。
記者：經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展急需高水平基礎(chǔ)研究的供給和支撐。您認(rèn)為在加強(qiáng)半導(dǎo)體材料領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究方面，該如何做？有哪些要點(diǎn)需要注意？
周濟(jì)：半導(dǎo)體材料的基礎(chǔ)研究非常重要，我們國家也一直非常重視。我認(rèn)為目前最緊迫的問題是要澄清基礎(chǔ)研究的目的。我們有一種誤解，認(rèn)為基礎(chǔ)研究的產(chǎn)出必須用學(xué)術(shù)論文來體現(xiàn)。這樣的觀念以及由此形成的政策導(dǎo)向，對(duì)像半導(dǎo)體材料這樣相對(duì)成熟的研究領(lǐng)域的傷害是非常大的，因?yàn)檫@將驅(qū)使科學(xué)家不得不去追求華而不實(shí)的事情。其實(shí)基礎(chǔ)研究應(yīng)該定位在基礎(chǔ)科學(xué)問題上，就半導(dǎo)體材料而言，半導(dǎo)體物理問題已經(jīng)相當(dāng)清楚，但像大尺寸、高質(zhì)量半導(dǎo)體材料的工藝原理，如在特定環(huán)境中的半導(dǎo)體單晶生長熱力學(xué)問題、如何有效控制半導(dǎo)體中的缺陷、如何提高材料的純度等對(duì)，這些至關(guān)重要的基礎(chǔ)科學(xué)問題，然而卻因無法出文章而鮮有人問津。事實(shí)上，國外支持的材料基礎(chǔ)研究，有很多都是不需要出文章的工作，鼓勵(lì)科學(xué)家把材料和工藝問題搞細(xì)、搞透，積累大量數(shù)據(jù)，需要什么樣的材料或工藝，短時(shí)間內(nèi)就能研發(fā)出來。
記者：從去年第四季度至今，全球市場一直處于缺芯的狀態(tài)之下。您認(rèn)為造成本次“芯片荒”的主要原因是什么？要避免再次出現(xiàn)如此嚴(yán)重的缺芯情況應(yīng)該注意哪些方面？
周濟(jì)：我不是這方面的專家。但我認(rèn)為目前全球疫情蔓延，屬于非常時(shí)期，芯片極度短缺情況應(yīng)該是短暫的，而不會(huì)是常態(tài)。當(dāng)然這種情況也的確反映了芯片需求旺盛的一種趨勢(shì)。但我覺得不應(yīng)該以此為依據(jù)盲目、無序地上相關(guān)項(xiàng)目。
記者：人才是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。國家對(duì)半導(dǎo)體領(lǐng)域的人才培育也十分重視，國務(wù)院學(xué)位委員會(huì)批準(zhǔn)成立“集成電路科學(xué)與工程”一級(jí)學(xué)科。國內(nèi)在半導(dǎo)體人才培養(yǎng)方面有何短板？該如何彌補(bǔ)？
周濟(jì)：“集成電路科學(xué)與工程”作為一級(jí)學(xué)科體現(xiàn)國家對(duì)發(fā)展集成電路產(chǎn)業(yè)的重視。我個(gè)人能看到的是，目前半導(dǎo)體人才培養(yǎng)方面的一個(gè)短板是交叉型人才。集成電路作為一個(gè)龐大的技術(shù)系統(tǒng)，融合了電子學(xué)、材料科學(xué)與工程、物理學(xué)、計(jì)算科學(xué)、化學(xué)、機(jī)械工程、光學(xué)工程、精密儀器、自動(dòng)控制等領(lǐng)域的成果，能跨越這些學(xué)科壁壘的人才可能更具有創(chuàng)新潛力。因此“集成電路科學(xué)與工程”應(yīng)該建成一個(gè)高度交叉的學(xué)科，融合多學(xué)科的內(nèi)容，而不應(yīng)該僅僅是原來微電子學(xué)學(xué)科的延伸。舉個(gè)例子，40多年前我讀本科時(shí)的專業(yè)叫“半導(dǎo)體化學(xué)”，是個(gè)五年制專業(yè)，這個(gè)專業(yè)現(xiàn)在已經(jīng)不存在了。我們當(dāng)時(shí)按照物理專業(yè)的教學(xué)方案學(xué)物理、按照化學(xué)專業(yè)學(xué)化學(xué)，在這樣的基礎(chǔ)上學(xué)半導(dǎo)體和電子學(xué)，學(xué)下來就有融會(huì)貫通的效果，培養(yǎng)出來的人可以在多個(gè)方向上切換，適應(yīng)新東西的能力比較強(qiáng)。“集成電路科學(xué)與工程”作為一級(jí)學(xué)科，有了較大的自由度，恰恰提供了一個(gè)跨學(xué)科平臺(tái)，下面可以設(shè)立若干個(gè)跨專業(yè)的二級(jí)學(xué)科，有助于培養(yǎng)適應(yīng)這個(gè)領(lǐng)域高速發(fā)展的人才。另外一個(gè)相關(guān)的問題是如何能吸引包括集成電路專業(yè)和其他相關(guān)專業(yè)的高質(zhì)量人才進(jìn)入集成電路行業(yè)，特別是從事集成電路制造業(yè)，需要在體制、機(jī)制上下功夫。
