"在我過去幾年的研究中，我專注于用新材料創造新的電子産品和系統。矽是目前內建電路的主要載體，但它遇到了挑戰和限制。在我的團隊中，我使用新的二維原子晶體來幫助矽技術解決問題并突破極限。複旦大學微電子學院教授周鵬最近發表的題為"用新技術在晶片中創造可靠的風洞和曲率飛行"的演講給同學們留下了深刻的印象。
憑借"風洞"、"曲率飛行"等創新理念，周鵬團隊近年來在新型內建電路機理、新材料、新器件的研究與應用方面取得了一系列成果，在2020年度上海市科學技術獎中榮獲"青年科技突出貢獻獎"。這些結果的科學原理是什麼？對內建電路行業未來發展有何影響？解放日報上官新聞記者采訪了周鵬教授。
使用來自2D半導體的新材料建構"風洞"
風洞或風洞實驗室是一種通過人工方式産生和控制氣流的管道實驗裝置，模拟飛機，汽車和其他實體周圍的氣體流動，并測量氣流對實體的影響并觀察實體現象。內建電路中的"風洞"是什麼？周鵬解釋說，用于2D半導體的新材料可以用作半導體器件新結構和原理的"風洞"，因為由這些材料組成的新器件遵循共同的實體定律，并且可以作為矽半導體中新器件的模拟。
使用新材料代替2D半導體的原因是矽的先進工藝過于昂貴，如晶片器件的3nm工藝節點在晶片設計完成後，晶片實驗的成本高達數億元人民币。是以，實驗成本更低的二維半導體新材料成為微電子技術前沿探索的"香味"。
這種新材料來源于石墨烯。2010年，曼徹斯特大學的實體學家Andrey Gam和Konstantin Novosholov因其生産石墨烯而獲得諾貝爾實體學獎。這是一種由碳原子緊密堆積成單層二維蜂窩晶格結構的新材料，具有優異的光學、電學和機械性能。石墨烯的穩定存在打破了"單層原子二維材料不穩定"的固有觀念，催生了許多新的二維材料，如硫化钼、鎢硒、氮化硼等。理論研究預測，這種類型的新型二維材料有6000多種。
複旦大學教授張偉和周鵬團隊成員劉春森在實驗室工作。新華社
經過多次實驗，複旦微電子團隊發現，硫化钽、鎢硒适合用作"風洞"，模仿矽工藝線上的新機理器件實驗。硫化钽和鎢硒的新器件特性可以反映一些普遍規律，也适用于矽材料。通過建構新裝置的實體模型，研究人員可以通過調整材料和相應的參數來預測新矽基裝置的性能。
了解 MBCFET 新半導體技術的原理
"風洞"實驗使周鵬的團隊發現了MBCFET（多橋通道晶場效應半導體）的技術原理，并開發了模型器件。這一結果可以內建到國産EDA（電子設計自動化）軟體中，為開發和生産這種3-5納米節點的新型半導體提供武器。
什麼是MBCFET？這要從摩爾定律說起。由英特爾創始人戈登·摩爾（Gordon Moore）提出的摩爾定律預測，可以容納在內建電路上的元件的數量和性能将每18-24個月增加或翻一番。不變價格。如今，全球最先進的晶片制造商台積電已經進入5nm節點的量産階段。摩爾定律還能在5納米以下的工藝節點上工作嗎？這在很大程度上取決于半導體結構的創新。MBCFET是屬于業界普遍青睐的下一代半導體的新型半導體，如GAAFET（環繞栅極技術半導體）。
三星表示将在3nm節點上使用MBCFET技術。MBCFET具有比納米線更大的栅極接觸面積，是以在性能和功率控制方面更好。
複旦大學教授張偉和周鵬以及該團隊的成員正在觀察矽晶圓的表面。新華社
是以，掌握MBCFET技術對中國內建電路産業非常重要，未來3-5nm節點很可能采用這項技術。複旦團隊探索MBCFET的技術原理并開發模型器件，為行業的未來發展探索一條有望通過的路徑。
發明第三種類型的存儲技術以實作"兩者兼而有之"
在記憶領域，周鵬和他的同僚們也取得了颠覆性的創新。他們開發了二維半導體"準非易失性存儲"的原型器件，發明了第三種存儲技術，解決了半導體電荷存儲技術中"寫入速度"和"非易失性"的難題。
目前，半導體電荷存儲技術主要有兩種類型。一種是易失性存儲，例如計算機記憶體，其中資料在斷電後立即消失，另一種是非易失性存儲，例如USB驅動器，它可以存儲10年，而無需額外的能量寫入資料。在速度方面，易失性存儲可以在幾萬秒左右的時間内寫入資料，而非易失性存儲則需要微秒到幾十微秒來儲存資料。
這兩種存儲技術的優勢能否結合使用？複旦大學微電子學院教授張偉和周鵬利用2D半導體新材料開發的新存儲技術，在10納秒左右寫入資料，實作按需定制的監管資料準易失性特性（10秒-10年）。
範德華結構半浮動電網存儲準非易失性應用（鐘兆宇測繪）
如果将此技術應用于計算機記憶體，則在高存儲速度和較長儲存時間下不需要高頻重新整理，這對于降低能耗非常重要。外國評論專家高度評價了發表在《自然納米技術》雜志上的重要工作："他們制造了非常聰明的裝置，并祝賀作者在制造過程中的工藝。這種器件設計增強了範德華在異構結構電子應用中的最高技術水準。"
專欄編輯：黃海華 文字編輯：嚴陶然 标題 圖檔來源：新華社
來源：作者：陶然