新材料推动-半导体器件革新(达摩院2020十大科技趋势)

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在摩尔定律放缓以及算力和存储需求爆发的双重压力下，以硅为主体的经典晶体管很难维持半导体产业的持续发展，各大半导体厂商对于3纳米以下的芯片走向都没有明确的答案。新材料将通过全新物理机制实现全新的逻辑、存储及互联概念和器件，推动半导体产业的革新。例如，拓扑绝缘体、二维超导材料等能够实现无损耗的电子和自旋输运，可以成为全新的高性能逻辑和互联器件的基础;新型磁性材料和新型阻变材料能够带来高性能磁性存储器如SOT-MRAM和阻变存储器。

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  M" X. l! ^9 g趋势解读

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5 R9 l  Z1 y9 j半个世纪以来半导体产业都在竭力遵循摩尔定律，在取得巨大经济效益的同时也从根本上改变了人类社会的发
& {) p' I& \- N  z1 E6 w展进程。人工智能及大数据兴起为云端及终端装置带来更多创新的同时，也使得半导体产业的发展面临着摩尔定律放缓导致的产品升级困难以及大数据导致的算力和存储需求爆发的双重压力。以硅为主体的经典晶体管缩放已经越来越难以维持，从而难以实现半导体产业的持续发展。

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虽然新的材料和器件架构如高介电常数介电层(high-k dielectrics)、鳍式晶体管(FinFET) 以及铜质导线，扩展了传统半导体厂商的选择并逐步被采用成为主流，但并没有从根本上改变传统的逻辑、存储及互联的原理以.及这些器件所面临的物理原理上的困境。各大半导体厂商对于3纳米以下的芯片走向都没有明确的答案，但一个可以确定的趋势是越来越多的新材料将会被应用在半导体产业中，这些新材料将将会通过新的物理机制实现全新的逻辑、存储、及互联概念和器件。
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. j6 g, D: |: @从近期来看，新材料(如锗和1I-V族材料等)可能会代替传统的硅作为晶体管的通道材料以提升晶体管的速度。新的介电材料(如铁电材料等)可能会导致超陡的亚阈值坡度以降低晶体管的能耗。新的金属材料(如钴等)可能会替代钨和铜作互联导线以增强稳定性和减缓信号延迟。二维材料或外延生长的纳米层材料可能会导致3D堆集的架构以增加芯片的密度。这些器件的物理机制大体清楚，但是大规模应用还需要半导体厂商来解决工艺实现、工程配套等方面的挑战。
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8 Z$ L. i2 k! `: Z2 C从更长远的角度来看，更具挑战性的材料及全新的物理机制将是半导体产业能够保持甚至加速指数式的增长的关键。新物理机制是全新的高性能的逻辑和互联器件的基础，比如基于量子效应的强关联材料和拓扑绝缘体、新发现的二维材料中魔幻角度下的超导现象等会导致无损耗的电子和自旋输运。利用新的磁性材料的自旋-轨道耦合现象可以制备全新的高性能磁性存储器如SOT-MRAM，而利用新的阻变现象使得全新的高密度、高稳定性的阻变存储器(RRAM) 成为可能。虽然这些全新的工作机制还处在早期的探索中，但他们能从根本.上解决传统器件在物理原理层面所受到的限制，实现对摩尔定律的突破。新材料和新机制将会对传统的半导体产业进行全面洗牌，包括材料的生长、器件的制备以及电路的工作原理都会发生根本性的变化。这对设备厂商，晶圆厂及电路设计公司都会带来历史性的挑战和机遇，也会为新兴的公司及产业提供振奋人心的发展机会。
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