复旦团队探索3纳米新型芯片技术,多项成果有望用于集成电路产业
2021年10月27日  |  来源:上观新闻  |  阅读量:3464

掌握MBCFET技术对我国集成电路产业非常重要,未来的3—5纳米节点很可能采用这种技术。

“在过去几年的研究中,我主要聚焦在用新材料创造发明新的电子器件和系统。硅目前是集成电路的主要载体,但是遇到了挑战和极限。我在团队中利用新型二维原子晶体帮助硅技术解决问题,突破极限。”复旦大学微电子学院教授周鹏近日的演讲《用新技术创造芯片中的可靠“风洞”与“曲率飞行”》,给同学们留下了深刻印象。

凭借“风洞”和“曲率飞行”等创新理念,周鹏团队近年来在集成电路新机理、新材料和新器件研究与应用上取得一系列成果,在2020年度上海市科学技术奖表彰中被授予“青年科技杰出贡献奖”。这些成果的科学原理是什么?对于集成电路产业未来发展有什么影响?解放日报·上观新闻记者采访了周鹏教授。

用二维半导体新材料构建“风洞”

风洞即风洞实验室,是以人工方式产生并控制气流,用来模拟飞行器、汽车等实体周围气体的流动情况,并可度量气流对实体的作用效果以及观察物理现象的一种管道状实验设备。集成电路领域的“风洞”是什么呢?周鹏解释说,二维半导体新材料可以用作半导体器件新结构、新原理的“风洞”,因为这类材料构成的新器件与硅器件遵循共同的物理规律,能起到模拟硅材料半导体新器件的效果。

之所以用二维半导体新材料代替硅开展实验,是因为硅的先进工艺流程过于昂贵,比如3纳米工艺节点的硅器件完成芯片设计后,流片实验的成本高达上亿元。因此,实验成本较低的二维半导体新材料就成了微电子技术前沿探索的“香饽饽”。

这类新材料源于石墨烯。2010年,曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫因制备出石墨烯获得诺贝尔物理学奖。这是一种由碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的新材料,具有优异的光学、电学、力学特性。石墨烯的稳定存在,打破了“单层原子二维材料不能稳定存在”这个科学界的固有观念,催生了一批二维新材料,如硫化钼、硒化钨、氮化硼。理论研究预测,这类层状的二维新材料有6000多种。

复旦大学教授张卫、周鹏团队成员刘春森在实验室工作。新华社发

经过多次实验,复旦微电子团队发现硫化钼、硒化钨很适合用作“风洞”,模仿在硅工艺线上的新机制器件实验。硫化钼和硒化钨构成的新器件特性,能反映出一些普适规律,这些规律对硅材料同样适用。通过建立新器件的物理模型,科研人员只要调整材料和相应参数,就能预测硅基新器件的各种性能。

探明MBCFET新型晶体管技术原理

“风洞”实验让周鹏团队探明了MBCFET(多桥沟道晶场效应晶体管)的技术原理,并开发出模型器件。这方面成果可以集成到国产EDA(电子设计自动化)软件上,为研发和生产这种3—5纳米节点的新型晶体管提供利器。

什么是MBCFET?这要从摩尔定律讲起。摩尔定律由英特尔创始人戈登·摩尔提出,预测在价格不变情况下,集成电路上可容纳的元器件数目和性能,每隔18—24个月会增加或提升1倍。如今,全球最先进的芯片制造企业台积电已进入5纳米节点量产阶段。在5纳米以下的工艺节点上,摩尔定律能否依然有效?这在很大程度上取决于晶体管结构的创新。MBCFET就是一种新型晶体管,属于GAAFET(环绕式栅极技术晶体管)这类业界普遍看好的下一代晶体管。

三星已表示,公司将在3纳米这个节点上使用 MBCFET 技术。与纳米线技术相比,MBCFET拥有更大的栅极接触面积,所以在性能、功耗控制上会更加出色。

复旦大学教授张卫、周鹏团队成员在观察硅片表面。新华社发

由此可见,掌握MBCFET技术对我国集成电路产业非常重要,未来的3—5纳米节点很可能采用这种技术。复旦团队探明MBCFET的技术原理并研制出模型器件后,为产业未来发展探索出一条有望走通的路径。

发明第三类存储技术实现“兼得”

在存储器领域,周鹏和同事们也取得了颠覆性创新成果。他们研制出二维半导体“准非易失存储”原型器件,发明了第三类存储技术,解决了半导体电荷存储技术中“写入速度”与“非易失性”难以兼得的难题。

目前,半导体电荷存储技术主要有两类。一类是易失性存储,例如电脑内存,掉电后数据会立即消失;另一类是非易失性存储,例如U盘,写入数据后不需要额外能量就能保存10年。速度方面,易失性存储可在几纳秒左右写入数据,非易失性存储则需要几微秒至几十微秒才能把数据保存下来。

能否将两类存储技术的优势合二为一?复旦大学微电子学院教授张卫、周鹏团队利用二维半导体新材料研发的新型存储技术,既能在10纳秒左右写入数据,又实现了按需定制(10秒—10年)的可调控数据准非易失特性。

用于准非易失应用的范德瓦尔斯结构半浮栅存储(仲昭宇制图)

如果将这一技术应用于电脑内存,在较高存储速度和较长保存时间的条件下,就不必高频刷新,这对降低能耗有重要价值。对于这项发表在《自然·纳米技术》杂志上的重要成果,国外评审专家给予了高度评价:“他们制造的器件非常巧妙,对论文作者在制造工艺中的精湛技艺表示祝贺。这种器件设计提升了范德华异质结构电子应用领域的最高技术水平。”

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