“微”“纳”结合是纳电子的发展方向

作者：李小丽，李萍，沈纯 (lili@snpc.org.cn)

2001年，当全世界掀起纳米科技热潮的同时，一直蓬勃发展的微电子领域也受到挑战。著名的摩尔定律（Moore’s law）预言：“每隔18个月新芯片的晶体管容量要比先前的增加一倍，同时性能也会提升一倍”，事实已经证明，在过去的30多年里，摩尔定律准确地代表着芯片技术的发展趋势。但是，随着集成电路的集成度越来越高，晶体管的尺寸和集成电路的最小线宽越来越小，摩尔定律受到了极大的挑战。工业界曾经预计2010年微电子器件的尺寸和集成电路的最小线宽都将小于100nm，达到现代微电子器件的极限；而且，根据现有理论，很多科学家预言，当尺寸线宽在纳米量级时，受电子行为的可靠性、功耗大和发热的限制，所有的芯片需要按照新的原理来设计。于是，与当代集成电路完全不同的、利用纳米结构和量子效应的器件受到工业界和学术界的广泛关注。

“可是，现实的发展却总是超过人们的想像”封所长笑着说：“近几年来， 90nm和65nm的生产线已经在世界各大半导体公司投产，更有先行者开始制造45nm芯片。IBM公司在其宣布的光刻技术战略中，表示将把193纳米沉浸式光刻缩小到22纳米节点，以实现大量生产。看起来，由于技术的进步，摩尔定律还将在一定的时间内发挥作用。”

那么，看着这些国际各半导体巨头不断做出的越来越小的加工尺寸，我们是否怀疑科学家的那些预言是杞人忧天呢？“也不能这么下判断”封所长说：“虽然半导体厂商不断通过材料优化和工艺突破来使尺寸缩小成为可能，但是基于CMOS和PN结的结构和原理没有变。现在的快速发展一方面说明经典的集成电路工艺仍然可以继续优化，另一方面也是因为现在的半导体厂商有足够的财力和人力来推动传统工艺向前发展。”他还解释说：“毕竟产业的发展和调整不是一朝一夕的事情，拥有巨大体能的半导体公司在现有基础上实现最优化是最可行的途径，很多著名的半导体公司实验室也在如火如荼地开展着基于纳米结构和量子效应的新原理器件的研发工作，说明他们对于纳米器件还是非常看好的。”

当“自上而下”遇到“自下而上”

当美国著名理论物理学家费.因曼教授在1959年提出了一个令人震惊的想法：“为什么我们不可以从另外一个方向出发，从单个的分子甚至原子开始进行组装，以达到我们的要求?”之后，很多人坚持地认为“自下而上（Botom-up）”才是纳米科技的实质。很多科学家沉浸在实验室里进行着纳米材料的组装工作，享受着演示实验结果的乐趣。在纳电子学领域，关于碳纳米管、ZnO纳米材料以及其它包括硅在内的各类半导体纳米线、棒的研究更是层出不穷，通过制备、设计和组装，构筑一定功能的元器件。２００１年，美国《科学》周刊刊登的“十大科学技术突破”中，连接纳米晶体管、纳米导线和纳米开关的分子水平电路荣登榜首。美国ＩＢＭ公司科学家用纳米碳管制造出了第一批纳米碳管晶体管，发明了利用电子的波性而不是常规导线实现传递信息的“导线”；朗讯贝尔实验室则用一个单一的有机分子制造出了世界上最小的“纳米晶体管”。

“自下而上”总是能给人以充分的想象空间。但是，近几年“自上而下(Top-down)”的市场风头明显高过“自下而上”，正如前面所述，90nm， 65nm，45nm，32nm都是“自上而下”在说话，那“自下而上”是不是仅仅是学术界的兴趣爱好呢？

“当然不是这样”，封所长对这个问题是否定的：“事实上，‘自上而下’和‘自下而上’不是两条平行线，他们是相交融合的。在‘自上而下’的路途中，当线宽小到一定尺寸后，刻蚀工艺已经显得相当力不从心了，这时，如果能够定向生长纳米小结构，那是相当完美的；另一方面，现在‘自下而上’的工艺依然要借用光刻技术中的薄膜沉积系统、高精度刻蚀设备等等，并不是只依赖于烧杯和试管”。

原来，“自上而下”终会遇到“自下而上”，而“自下而上”永远摆脱不了“自上而下”，“微”、“纳”结合可能才是最终的路线，看来，“孔孟之道”是科学发展的基础理论。

纳米电子的外延不断扩大

    “不过，我个人认为，纳电子的概念不能局限于传统的集成电路微电子工业这一块， 它还应当包括光电子器件、微纳传感器等这类新型器件”在谈到纳米电子概念的内涵时，封所长这样讲到：“比如，量子阱结构是真正基于纳米尺度上的材料构成，量子阱中的电子由于在生长方向上的运动受到限制，只能在垂直于生长方向的平面内运动，是典型的量子器件。现在半导体量子阱、超晶格激光器和探测器已得到广泛应用，成为信息社会基础性器件。”

“另外，基于生物（化学）－纳米－信息的微纳传感器也显示出蓬勃的发展生机”，谈到微纳传感器，封所长显然比较看好：“纳米结构的尺寸效应和表面效应等纳米效应可以大幅度提高传感器的灵敏度，纳米结构表面进行化学的或生物的修饰后，传感器的特异性反应大大加强，为实现传感器的超微量快速检测开辟了一条新的思路”，“而且，传感器头制成纳米结构，其它电子信息处理系统依然采取微电子现有路线，集成方面是成熟的。”

这里谈到的依然是一个“微”、“纳”结合的路线，纳米结构小、灵敏、并显示出很多奇异特性，但是它不能独立存在于这个世界上，而其能依托的载体正是比它“大”一点的微米结构，这恰恰就是我们这个时代的佼佼者。

    “这一类传感器在生化方面的应用是非常诱人的”，封所长依然兴致勃勃：“比如说，对甲醛的检测，现在新装修的房间都存在这个问题，如果成本非常低廉，家家户户都能装一个我们这样的传感器，实时告诉家里甲醛的含量，岂不是很受老百姓喜欢的一桩大好事”。

纳电子行业的快速发展关键是产学研结合

谈话的最后自然涉及到怎样推进纳电子行业的快速发展，封所长特别强调了产学研结合的重要性。他说“产学研结合是微纳电子行业快速发展的关键，目前的现状是，高校教授和研究所的研究员专注于前沿探索，这对培养人才是很有好处的，但却没有和产业结合，对推进成果转化不利；另一方面，有些企业缺乏长远目光，总觉得高校和研究所的成果离现实太远，投资成本太大。我觉得，双方都应该转变观念，教授和研究员们要善于结合产业做科研，要大方的把成果拿出来，因为不拿出来过几年也落后了，当今世界技术的进步是飞速的，而企业呢，要敢于和高校研究所结合，实时的吸收他们的思想，退一万步讲，作为战略储备和方向导引，也是大有裨益的。”

的确这样，当IBM公司拼命刻蚀那极细的互联线时，不妨抬起头来，把研究所的碳纳米管拿来用用，或许就成了？