中國工程院院士周濟：超材料或延續摩爾定律

半導體行業的發展使得傳統意義上的摩爾定律受到了不同程度的質疑，甚至有聲音說：「摩爾定律要失效了！」因此，如何延續摩爾定律成了當今半導體行業熱議的話題。日前，中國工程院院士、清華大學材料學院教授周濟在接受《中國電子報》記者專訪時表示，超材料有可能從工藝和原理兩方面延續摩爾定律，為信息技術的進一步發展提供新的技術路線。

兩種方式延續摩爾定律

一直以來，半導體器件的發展趨勢都沿續於摩爾定律的規則：集成電路中可容納的電晶體數量每經過18~24個月總數增長一倍。然而，隨著晶片製程越來越接近工藝極限和物理極限，摩爾定律能否持續生效也開始受到質疑。

為了不讓摩爾定律「失效」，業界採取了各種不同的方式去延續摩爾定律。目前，業界主流的演進方式大致可分為兩類：一是導入EUV，透過高能量、波長短的光源，將電路圖案轉印到晶圓；二是異質整合，將電晶體垂直堆棧，將兩種不同製程、不同性質的晶片透過半導體製程技術整合在一起。而無論是哪種方式，都面臨著巨大的挑戰。

周濟認為，將超材料引入到半導體技術，有望在工藝和原理兩個方面進一步延續摩爾定律。在工藝方面，通常情況下，為了能夠實現更先進的工藝製程，在集成電路製造過程中，光刻機往往用深紫外和極紫外作為光源。那麼，能否用普通（可見光）光源實現高精度光刻，從而延續摩爾定律呢？周濟在接受《中國電子報》記者採訪時說：「答案是肯定的，而這種技術的實現便來自於超材料。」而在原理方面，超材料也可能給出一些全新的原理和技術路線，例如，通過超材料中的模態耦合實現高速低功率的全光信息處理技術。

超材料走進集成電路領域

何為超材料？它有哪些屬性？在集成電路的製造過程中又發揮著怎樣的作用？周濟給《中國電子報》記者解答了這些問題。他介紹說，超材料是通過設計獲得的、具有自然材料所不具備的超常物理性能的人工材料。其材料性質主要來源於人工結構而非構成其結構的材料組分。所以，在人為設計、控制的情況下，它能以全新的方式對物理場進行操控，進而創造出多種不尋常的物理效應。例如，在光學方面，它可實現負折射、相位全相片、超級透鏡等效果，甚至實現《哈利波特》中的隱身鬥篷的效果。

超材料的存在可以把很多看似不可能的事情變為可能。周濟以韋塞拉格的思想實驗為例向記者介紹道，當某種物質同時具有負的介電常數和負的磁導率時，會產生一系列奇異的性質，如負折射、無像差成像、反常都卜勒效應等，打破人們對於光學的傳統認知。對於半導體產業而言，超材料的應用可提供一些顛覆性技術。

超材料有可能拯救摩爾定律

那麼超材料能為晶片的生產提供哪些新的、超常態的技術呢？周濟介紹，若想從原理上延續摩爾定律，其一，可以利用超材料技術製成超透鏡，這可能進一步提升納米光刻技術水平，從而延續摩爾定律；其二，可以利用超材料思想構造「人造原子」，從而實現一些新穎的、有可調控電子帶隙的人造半導體，從而滿足更高的技術要求；其三，可以通過超材料實現高性能全光信息技術，從根本上解決電子帶隙材料面臨的問題。

周濟表示，利用超透鏡技術可打破光學成像中的衍射極限，使得光刻圖形的尺寸不再依賴於光刻所使用的波長，從而可以利用可見光波段的雷射器實現幾個納米甚至更小尺度的光刻，從而在晶片製程方面能夠有進一步的突破，延續摩爾定律。

半導體材料在高頻下無法應用也是阻礙摩爾定義延續的一大難題，但這也有解決之道。周濟介紹，運用人造原子，僅靠電子在人工原子之間的遂穿就可以設計出具有不同帶隙結構的半導體，從而獲得良好的高頻特性。

在全光信息技術方面，目前的主要制約瓶頸就是全光信息處理。用光調控光這一傳統方法通常採用非線性光學，即通過強光改變材料的光學性質。這樣的過程往往需要較長的響應時間和較高的驅動光強度。而利用超材料，可在不改變材料自身性質的前提下只改變超材料的性質，從而實現高速低功率的全光調控。

隨著摩爾定律的逐步「失效」，學術界及產業界都對超材料領域給予了厚望。周濟認為，在不久的將來，超材料將能夠為信息產業、特別是晶片產業提供具有顛覆性的技術源頭，這一點值得人們的關注和期待。