信息科技基石 实现微电子技术的可持续发展

2020-11-23 14:38:08

微电子技术是指设计、制造和使用微小型电子元器件与电路,实现电子系统功能的技术,是现代信息科技的基础。

光电子技术则是光子技术与电子技术结合而成的交叉技术,涉及固体物理、导波光学、材料科学和半导体等学科,有望成为下一代信息科技的基石。

微电子芯片制造工艺提升趋近极限,5纳米芯片已经在今年量产,2纳米芯片制程工艺已开始研发;光学器件性能提升为光电芯片的研制打造坚实基础,光电芯片将加速自动驾驶、机器人和虚拟现实等技术的优化应用,推动半导体设备实现“从电到光”的转换。

(一)微电子信息技术的大规模应用使微电子技术得到快速发展,并逐渐发挥重要作用,而随着计算机网络技术及电子信息技术的飞跃式发展,以集成电路为核心的微电子技术更是发展至空前高度。

当前,微电子技术发展面临着物理规律、材料和工艺技术等多种因素的制约,科学家正逐步探索将微电子技术和其他学科进行融合,通过技术间的相互印证与补充,实现微电子技术的可持续发展。

1.台积电6纳米半导体制程技术

台积电6纳米制程采用极紫外线光刻技术,与7纳米制程相比,可将晶体管密度提高18%,而且其设计规则与7纳米制程完全兼容,降低了升级成本。台积电表示,6纳米制程技术应用于中高端移动网络、人工智能、5G通信、高性能计算等领域半导体芯片的制造。

2.荷兰阿斯麦公司开发下一代高数值孔径极紫外光刻设备

荷兰阿斯麦公司(Advanced Semiconductor MaterialLithography,ASML)正积极开发下一代高数值孔径 EUV 设备,新设备预计 2025年正式量产。该EUV设备通过提升透镜解析度,将解析度和微影叠对能力提升70%,不仅能提高生产效率、提升良品率,还可以降低生产成本,满足半导体行业对先进纳米制程工艺的需求。

3.英美联合研究团队首次将微电子器件中的电子结构可视化

英国华威大学(University of Warwick)和美国华盛顿大学的联合研究团队首次将微电子器件中的电子结构可视化,并成功测量原子级厚度的二维半导体材料中电子的能量和动量。研究人员首先将一束紫外线或 X 射线光聚焦在局部区域的原子上,将电子撞出原子,然后通过测量逃逸电子的能量和行进方向,计算出其能量和动量。该研究揭示了电子特性随电压变化的规律,为精细调谐的高性能电子器件研究开辟了道路。

4.韩国蔚山国立科学技术研究院开发出全球首个三进制半导体元件

韩国蔚山国立科学技术研究院开发出全球首个三进制半导体元件。研究人员成功在大尺寸晶圆上创造出一种运用三进制逻辑的半导体元件。与目前的二进制半导体器件相比,基于三进制的新型芯片将缩短数据处理时间、降低功耗。三进制半导体架构将对高计算芯片开发产生重要影响,有助于人工智能和物联网的发展。

5.美国赛雷柏系统公司推出晶圆级单体芯片

美国赛雷柏系统公司(Cerebras Systems)推出晶圆级单体芯片。该芯片具有12000亿个晶体管,其片上面积高达46225平方毫米,拥有18千兆字节的片上存储器和 400000 个处理核心,是有史以来片上面积最大、晶体管数量最多的芯片。

该芯片将主要用于深度学习计算,其单片芯片峰值功率达 15 千瓦,其计算能力、功耗与发热量与传统芯片集群相当。研究人员放弃传统的平面供电和导热的布置方式,将电路和热传导路径纵向布置,解决了芯片的供电和冷却问题。美国赛雷柏系统公司表示,下一阶段的目标是扩大生产规模并保证芯片稳定交付。

6.美国麻省理工学院开发出史上最大碳纳米管芯片

美国麻省理工学院的研究人员利用14000多个碳纳米晶体管,开发出史上最大碳纳米管芯片。碳纳米管具有优异的力学和电学性能,但自身的缺陷和可变性限制了其在大规模电子系统中的应用。美国麻省理工学院的研究人员改进了芯片设计和制造方法,克服了碳纳米管的自身缺陷,证明了微处理器可以完全由碳纳米管场效应晶体管制造。此项研究成果有望使碳纳米管取代硅材料,广泛应用于先进微电子装置制造领域。

7.台积电正式开启2纳米芯片制程工艺的研发

台积电正式开启2纳米芯片制程工艺的研发,并规划建立2纳米制程芯片工厂。台积电表示,2纳米制程工艺研发需要4年时间,最早将在2024年投产。在2纳米制程工艺研发期间,台积电将使用5纳米及3纳米制程工艺作为过渡,以满足客户需求。按照台积电现阶段规划,其5纳米制程芯片已经在今年大规模投入生产,3纳米制程芯片将于2021年投产。

8.比利时科学家采用金属有机框架材料研制出芯片绝缘新技术

比利时鲁汶大学(University of Leuven)和比利时微电子研究中心(Interuniversity Microelectronics Centre,IMEC)的研究人员合作,成功采用金属有机框架(Metal-OrganicFrameworks,MOFs)材料开发出一项芯片绝缘新技术。

研究团队首先在金属衬底表面沉积一层金属氧化物层,然后将它与有机材料进行蒸汽反应,最终膨胀成多孔的MOFs材料。新型MOFs材料为纳米结构,但坚固稳定,是一种良好的绝缘体,非常适合用作芯片绝缘材料。研究人员表示,该技术可用于开发更小、更强大的芯片,从而为自动驾驶和智能城市等应用提供更节能的解决方案。

9.美国约翰·霍普金斯大学开发出生产原子级半导体晶体的新方法

美国约翰·霍普金斯大学(Johns HopkinsUniversity)的研究人员开发出生产原子级半导体晶体的新方法,该方法可用于制造功能更强大、结构更紧凑的电子设备。

研究人员首先使用磷化氢气体浸渍硅基板,随后在此基板上引导单晶硅生长,形成超薄硅片。以此种方法制造的硅片具备更细小、质量更高的晶体结构。

研究人员表示,此种制造方法成本更低、速度更快、效果更好,将使芯片体积更小、处理能力更强,或将重新延续摩尔定律。

(二)光电子近年来,光电子技术以优于微电子技术的极高速度、超大容量及极低损耗等显著特点成为全球科学研究的焦点,更上升为当今社会信息技术的重要支柱之一。

光电子技术的应用范围不只局限于信息技术,光电子技术在材料科学、先进制造和国防等领域都发挥了重要作用,其技术水平和产业能力已经成为衡量一个国家综合实力和国际竞争力的重要标志。

1.韩国高等科学技术研究院开发出硅基光学相控阵芯片

韩国高等科学技术研究院(Korea Advanced Instituteof Science and Technology,KAIST)开发出一款可应用于 3D 图像传感领域的硅基光学相控阵芯片。3D 图像传感器能够将具有立体信息的深度数据添加到照片等 2D 图像中,使2D图像作为3D图像被识别。

3D图像传感器是各种电子设备“认知”世界的核心器件,可应用于自动驾驶汽车、无人机和机器人等需要准确感知周围物体距离信息的场景。该芯片除具备3D图像传感器的功能外,还可以将捕捉到的3D图像数据进行特定方向的无线传输,从而实现电子设备间高分辨率、高容量图像信息的自由通信。

该芯片有望嵌入智能手机,用于支持人脸识别、增强现实和虚拟现实等 3D传感应用。

2.美国耶鲁大学等机构研发出能够发射基本线宽小于1赫兹的激光的微型激光器

美国耶鲁大学(Yale University)、美国加州大学圣巴巴拉分校(University of California,Santa Barbara)、美国北亚利桑那大学(Northern Arizona University)和霍尼韦尔合作研发出一种微型激光器,该激光器能够发射基本线宽小于1赫兹的激光。

该激光器可集成到光子集成电路中,在微芯片厂的晶圆上实现规模化制造。研究人员将高端激光器的性能转移到光子微芯片上,可大幅降低芯片尺寸和制造成本,并推动该技术应用于光谱、导航、量子计算和光通信等领域。

3.美国加州大学伯克利分校研制出新型二维光学相控阵芯片

美国加州大学伯克利分校研制出高速、可编程、大阵列的二维光学相控阵芯片。与传统的硅光、液晶等光学相控阵技术相比,该芯片创新性地将新型光栅结构与硅基微机电技术结合,不仅可实现无损的光学耦合,而且具有更经济、更高速及更高可靠性的优点。

此外,该芯片的光栅结构可同时应用于从可见光到近红外的宽带光谱,不受硅光片上集成的波长限制,从而可直接应用于新一代医疗成像设备、光通信和全息电视等领域,并可为自动驾驶汽车提供更强大的激光雷达传感器。

4.美国斯坦福大学开发出可用于开发光学计算机的光子二极管

美国斯坦福大学的研究团队开发出的新型光子二极管能控制光子朝单方向流动。研究人员使用成对的超薄硅片捕捉光线并增强光子螺旋运动,直至光子通过。光子旋转产生的振动能够阻挡光子的反向运动,从而使光子单向通过。研究人员将在该光子二极管的基础上,使用光线和光子代替电子来研制光学计算机,以实现更高速度的计算。

5.美国加州大学圣地亚哥分校开发出世界上最薄的光导器

美国加州大学圣地亚哥分校开发出仅有3层原子厚度的光导器,使该光导器成为世界上最薄的光学器件。该光导器由悬浮在硅框架上的二硫化钨单层构成,其厚度约为普通光纤直径的1/10000、集成光子电路中光导器厚度的1/500,光线在其内部以全反射的方式沿平面传播。该研究证明了光学器件可缩小到比现有器件小几个数量级的尺寸,将促进更高密度、更高容量光子芯片的发展。

6.新加坡南洋理工大学开发出纳米尺度光学尺

新加坡南洋理工大学的研究人员开发出可测量纳米级距离的光学尺。此前的光学器件受衍射极限限制,最小分辨率为400纳米,无法观测病毒及纳米粒子等微小物体。新加坡南洋理工大学的研究人员通过计算激光超震荡现象的梯度,可完成单个原子尺寸的长度测量。该光学测量方法可用于微小系统制造中的质量控制,助力半导体和光电子器件开发。

7.日本电报电话公司开发出纳米光子学芯片

日本电报电话公司(NipponTelegraph&Telephone,NTT)开发出集成纳米光子学技术的芯片,实现了光电转换元件的小型化。该芯片由高密度集成光元件组成,其元件数量更少,体积大幅缩小。该芯片可应用于异构计算系统,并可实现高效、海量的数据处理,超低延迟检测和模式匹配处理等功能。研究人员表示,他们将在纳米光子学芯片的基础上开发高性能、低能耗的光电融合型信息处理芯片。

8.DARPA启动“通用微光学系统激光器”项目

DARPA启动“通用微光学系统激光器”(Lasers forUniversal Microscale Optical Systems,LUMOS)项目,以冲破光子微系统的发展障碍。该项目是 DARPA“电子复兴计划”的一部分,拟利用新材料和异构集成技术,开发将激光器、放大器、调制器、波导、检测器等多种光子器件集成到单块芯片上的方法,该方法将支持从数字和模拟通信到导航和定时,再到量子测量和计算的多领域应用。该项目将在项目执行期的各个阶段结合武器装备系统进行演示,旨在为美国国防部带来作战优势。此外,该项目还有望创新现有工厂制造光子集成电路的工艺,提升光子器件的商业竞争力。

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