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【科学讲座】刘明:集成电路技术现状、挑战与机遇

2017年12月28日晚七点,科学前沿进展名家系列讲座Ⅲ第115讲在中国科学院大学玉泉路校区阶一五如期举行。本次讲座由中国科学院院士,中国科学院电子所研究员刘明老师主讲。刘明老师从集成电路的概念入手,向同学们由浅入深,全面细致地介绍了集成电路的现状,其发展面临的图形微缩、功耗性能两大方面的挑战和应对策略,以及集成电路未来的发展方向与机遇。

讲座开始,刘明老师先向同学们介绍了集成电路的概念,以及微电子学的发展历史。集成电路是一种微型电子器件或部件。它采用一定的工艺,把一个电路中所需的晶体管电阻等元件及布线互连一起,制作在半导体晶片或介质基片上,封装成为具有所需电路功能的微型结构。“集成电路在近五十年得到发展,离不开包括硅和相关材料的利用、器件结构的优化、制造技术的提升”,刘明老师讲到,“尽管如此,集成电路的尖端发展仍然面临着诸多挑战。”

在帮助同学们对集成电路有初步了解之后,刘明老师引入了图形微缩过程中的重要概念——“光刻技术”。实现集成电路需要面临的一个重大挑战就是图形微缩之后,如何保证高分辨率以及图形的高质量,而完善、优化光刻技术即是解决问题的策略。“由光刻技术的物理原理我们得出,增大光刻数值孔径,减少光源波长和提高k系数可有效增加分辨率和图形质量”,在带领同学们对模型以及元器件参数进行细致分析后,刘明老师这样总结道。

然而,正如刘明老师所说,“图形微缩不是目的,目的是实现性能的提升”。集成电路微缩过程必不可少,但随之而来的MOS晶体管漏电数值增大、静态功耗急剧增大,以及MOS晶体管微缩导致的集成电路的驱动性能迅速下降等等问题亦是不容小觑。为了解决这些问题,研究人员进行了材料成分改进、器件结构从平面到三维立体等等手段,并取得了显著的成效。但这些手段对于制作工艺的巨大挑战也不容忽视,“将数万个晶体管集成得完全相同是一件很困难的事情”。尽管如此,人们还是一步一步将这一看似不可能的事情变成了现实。

对于如何实现现代集成电路的全面发展,刘明老师向在座的同学们讲解了自己的看法:除了“纵向”沿着Moore定律不断制作集成更多的元器件,“横向”的射频、分立器件、传感器、生物DNA芯片等也有很大的研究空间,用以发明新的、可大规模集成的基础器件。之后,刘明老师也提出了她眼中逻辑器件的“技术路线”,包括采用新材料增加沟道的迁移率,实现更高的导通电流;采用新结构增加栅控能力,实现更低的漏电流“两条主线”。在刘明老师脉络清晰,一气呵成的讲解下,同学们对于未来集成电路的多元化发展趋势,都有了更加深刻的理解。

讲座最后,刘明老师向同学们简单介绍了闪存的原理、磁存储的概念、以及集成电路领域的研究分支等等。在提问环节中,刘明老师也耐心生动地回答了在座听众的问题,包括对于我国“长江存储”发展的简单介绍等。讲座在同学们的掌声中圆满结束。

(文/雷明宇 图/孙小丁 来源 国科大记者团)

 

刘明院士为同学们做精彩报告

主讲人简介:

刘明,中国科学院院士,中国科学院微电子研究所研究员,中科院微电子器件与集成技术重点实验室主任,IEEE Fellow。研究方向为微电子科学与技术。

主要科学贡献包括:建立了阻变存储器(RRAM)物理模型,提出并实现高性能RRAM和集成的基础理论和关键技术方法。拓展了新型闪存材料和结构体系,提出新的可靠性表征技术、失效模型和物理机理,为存储器产业发展提供关键理论和技术基础。发展了集成电路的微纳加工技术并拓展到禁运的短波衍射元件研制中;重要指标达到国际先进水平,带动了相关技术突破。曾获国家自然二等奖1项、国家技术发明二等奖3项、国家科技进步二等奖1项、北京市科学技术一等奖2项、何梁何利奖、中国真空科技成就奖和科学院杰出成就奖等奖项。

延伸阅读:

“科学前沿进展名家系列讲座”创办于2014年9月,是中国科学院大学为本科生开设的必修课程,同时欢迎研究生与教职工参加,由中国科学院大学本科部主办,讲座召集人为徐涛院士。该课程按照数学、物理、化学、生物、材料、计算机、天文、电子信息工程等专业,邀请相关科学领域的院士等知名专家开展专题讲座。通过讲述科学故事、介绍相关学科方向的科学前沿进展,让学生在本科阶段了解不同学科的科研方向与主要进展,拓宽学生的学术视野,为他们最终选择学科专业与专业方向提供丰富的判断依据。