微电子技术研究

微电子技术随着集成电路和超大规模集成电路的应用而逐步发展成熟，为集成电路向微型尺寸、多功能集成、效能提升方向的演变提供了基础支撑，加快了信息时代社会数字化、智能化的发展节奏。近年来，科学家采用不同的方式方法展开对下一代电子学的探索，将光子技术与电子技术结合形成光电子学，为信息科技发展开辟了新的方向。2020年，微电子芯片制造工艺继续提升，2纳米芯片制程工艺取得突破，超低功耗黑磷隧道场效应晶体管研发成功，有望延续摩尔定律；可扩展光子计算机与微型光子芯片研发取得进展，为光电子学落地应用带来希望。

微电子技术发展面临着物理规律的制约，在达到纳米级别制造工艺后，每次突破均需要研发力量和资金的大量投入，而且工艺水平在达到一定层级后将无法利用现有科学能力进行提升。因此，业界一直在追求更低成本和更广阔前景的发展路径，尝试了采用新的半导体材料、研发新型晶体管结构等手段完善和提升现有体系下的技术水平，这些有益的尝试为微电子学发展开辟了新的可能。

1.以色列研究人员开发出可用于神经拟态计算的新型晶体管

2020年1月，以色列理工学院(Israel Institute of Technology，Technion)和以色列高塔半导体公司(Tower Semiconductor)研究人员开发出一种低功率新型晶体管。这种晶体管被称为“两端子浮栅晶体管”，可用于神经拟态计算。该晶体管不同于拥有3个或4个端子的传统晶体管，仅具有两个端子，并表现出忆阻器性质，可以对开关电压和时间进行精确调整。此外，两端子浮栅晶体管可以产生65种不同的电阻水平，且能将模拟数据保留长达10年。研究人员表示，该新型晶体管可由市售技术构建，相比传统忆阻器更为实惠、简约。该新型晶体管将有望用于神经拟态计算系统等需要大量忆阻器的装置。

2.美国阿贡国家实验室开发出可用于制造电子器件的分子层蚀刻技术

2020年2月，美国阿贡国家实验室开发出分子层蚀刻技术，有望用于制造更小的电子器件。阿贡国家实验室研究人员将几纳米或几微米厚的半导体薄膜暴露于洁净环境的化学气体脉冲中，令气体与半导体材料进行反应，使得半导体薄膜以分子层厚度逐层减小，形成预想的厚度。该方式更加安全，不会破坏必要的器件结构，且与传统的薄膜蚀刻制造方法相比，分子层蚀刻的精度极高，有望帮助研究人员寻找控制纳米结构几何形状的新途径。这将为微电子学打开新的大门，并有望延续摩尔定律。

3.韩国科学技术院开发出超低功耗黑磷隧道场效应晶体管

2020年 2月，韩国科学技术院(Korea Advanced lnstitute of Science andTechnology，KAIST)研究人员开发出一种厚度可控的黑磷隧道场效应晶体管

（TFET)。该晶体管开关功耗是传统互补金属氧化物半导体(CMOS)晶体管的l/10，待机功耗是其1/10000。该晶体管在高导通电流下创造了极低的平均亚阈值摆幅，使得TFET晶体管能够像传统的CMOS晶体管一样快速工作，并且功耗更低。该研究解决了隧道场效应晶体管运行速度和性能问题，有望为延续摩尔定律铺平道路。

4.台积电披露2纳米和3纳米芯片制程研发进展

2020年7月，台积电公司宣布在2纳米芯片制程取得重大突破，将以环绕式栅极(Gate-all-around，GAA)技术为核心突破点。而在2纳米技术推出之前，台积电将发布3纳米制程工艺，与三星公司展开直接竞争。据台积电披露的3纳米芯片制程工艺数据显示，其晶体管密度达到2.5亿/平方毫米，为7纳米制程工艺晶体管密度的3.6倍。在性能上，3纳米芯片较5纳米芯片性能提升7%，能耗提升15%。此外台积电还表示，3纳米工艺研发符合预期，并没有受到疫情影响，预计在2021年进入风险试产阶段，2022年下半年实现量产。

5.欧洲研究人员提出可取代薄膜晶体管的新设计

2020年8月，英国萨里大学(University of Surrey)、剑桥大学和意大利国立研究院微电子与微系统研究所(Institute for Microelectronics and Microsystems，IMM)联合团队研究人员共同开发出源极门控晶体管(Source-Gated Transistor，SGT)，有望替代薄膜晶体管(Thin Film Transistor，TFT)。TFT的源极和栅极处于绝缘层的同一侧，而SGT的源极和栅极分别位于绝缘层的两侧，因而能在单位面积内布置更多的晶体管。在验证实验中，研究人员使用两个SGT实现了以往12个TFT才能达到的性能。与常规的TFT相比，SGT的制造过程更加简洁，使得良品率更高、成本更低。SGT的研究有望使电子设备的尺寸继续缩小，进一步推动可穿戴设备等紧凑级电子设备的发展。

6.韩国国立蔚山科学技术院开发出新技术，有望大幅提高铁电存储器的容量2020年8月，韩国国立蔚山科学技术院(Ulsan National Institute of Science andTechnology，UNIST)研究人员开发出一种新技术，有望大幅提高铁电存储器的容量。蔚山科学技术院研究人员发现，如果向二氧化铪铁电氧化物材料施加3~4伏电压，原子之间的相互作用会消失，从而可以通过控制4个单独的原子来存储1位数据。凭借该技术，有望将半导体存储器的存储密度提升至500太比特/平方厘米，是常规闪存芯片的1000倍。研究人员表示，在半导体设备微观结构设计达到极限时，如果能在原子中储存信息，则有望在不分裂原子的情况下延续存储设备的发展，进一步缩小半导体尺寸。

7.美国加州大学洛杉矶分校使用二维半导体材料制造可编程电子设备

2020年11月，美国加州大学洛杉矶分校研究人员开发出一种新方法，可使用二维半导体材料制造可编程电子设备。二维半导体材料的厚度仅为一个或几个原子直径，由于其晶格内可掺入杂质掺杂剂的空间较为有限，导致这种半导体材料控制载流子类型和调整电子性能的能力相对较弱。加州大学洛杉矶分校研究人员利用碘化银中的超离子相变过程来调整二硒化钨制构成的二维半导体材料中的载流子类型。该研究打破了二维半导体的局限性，首次证明了超离子材料可用于控制二维半导体的电荷载流子类型，并可以创建极性可切换的可编程电子组件，如二极管和晶体管等。