作为电子产品中的基础材料――硅，其未来将会被何种材料替代，抑或将被怎样地改良，科学家们正在探讨。
美国工业物理论坛（The Industrial Physics Forum，IPF）汇集了学术界、工业界以及政府部门的管理者和决策者，他们为寻求解决物理科学共同体所面临的研究问题和政策问题而努力。这一论坛关注的焦点是物理与经济的结合。2013年度IPF的最后一次论坛在加州长滩进行。会议的主题是制造业中的新兴技术。会议上所出现的一些新观点，后来经过有关专家的整理发表在《今日物理学》上，本期我们选译了三篇与材料学密切相关的文章，以飨读者。――编者
2013年AIP（美国物理联合会）物理论坛第三次会议在长滩会议中心召开。该次会议特别对五个科技前沿进行了讨论，目标都是加强智能手机，磁盘驱动器和其他电子设备上的智能应用。本次会议还论述了包括石墨烯在内的新型材料，它可成为自组装纳米元器件和计算机变相存储器的介质，所以相关研发部门就面临着开发出450毫米的新标准直径硅片的任务。
石墨烯材料与元器件
2004年，安德烈·海姆（Andre Geim）和康斯坦丁·诺沃肖洛夫（Konstantin Novosolev）共同发现了一种廉价且简便的原子级蜂窝状碳结构的生成方法，即石墨烯。由于石墨烯不同寻常的能带结构，电子可以轻松地在其内部穿梭移动。这种材料的特殊属性吸引了来自电子行业从业者们的巨大兴趣，他们一直在寻找电子产品中能够替代硅的基础材料。
近几十年，对于超越硅性能的需求越来越显而易见。德州仪器的路易吉·科伦坡（Luigi Colombo）在其发言中论述到，美国政府早在二十年前就联合芯片和设备制造商，一同对硅材料的内在局限性进行审视并希望延伸摩尔定律。美国建立了三大研发中心――纽约的Index和CNFD，得克萨斯州的SWAN，希望能够找出在降低功率要求的同时，仍能缩小处理器尺寸大小的方法。2007年碳基电子被初步确定为候选技术。
科学界对石墨烯的兴趣是十分强烈和巨大的。科伦坡继续说道，至今约有33 000篇关于石墨烯的论文被发表出来。但85％论文作者是学术研究者。如果石墨烯最终落选或只是作为硅材料的补充，其他资金雄厚并且研发方案明确的科研项目就会立刻上马。欧盟已经开始了类似的科研项目，其中包括了三大板块：生产，组件和系统。
科伦坡指出，石墨烯的多功能特性使得它很难制定出一个明确的开发规划图，而一般的规划图中标示出了单项开发目标，最终成品目标和开发关键里程碑。除此他还例举了几个具体的挑战。使用石墨烯来结合电介质材料和金属仍显得困难重重。更重要的是，石墨烯材料的优势只有在远远小于现如今设备尺寸规模下，才开始发挥作用。科学家需要找到缩减石墨烯到1纳米的方法。
科研成果仍是可喜的。2004年最大的石墨薄片是微米级。现在则可以做到米级别了。包括双层场效应晶体管在内的超前概念也相继问世。
我们在寻觅什么？
石墨烯并不是电子行业唯一的突破途径，另一种被称为CMOS（互补金属氧化半导体）进入了大家的视野。在他的谈话中，来自IBM的维尔弗里德·亨施（Wilfried Hensch）研究了其他的替代材料，并着重对材料的相关性能进行了针对比较。亨施认为仅仅对材料特性进行比较是远远不够的。还需要比较组件和设备，即使我们无法制造出真实的设备，也要对虚拟的元器件和设备进行相对应的比较。
从元素周期表中硼和氮的化合物基团分析得出，由于其较高的电子迁移率，所谓的III-V材料是有可能被得到的。但据亨施所言，实际III-V元器件的速度优势只比现今硅材料工艺下的成品多40％的增长。
隧穿场效应晶体管具有能够调级的栅极电流，这可能将比“常规”场效应晶体管提供更快的电流速度和更低的电量消耗。但这样优势是来自于类似于悬崖形的电流-电压比曲线，而这也正是一个潜在的劣势。曲线上即使是非常微小差别都会导致元器件性能上巨大差异，因此很难通过此项方法来生产如今的处理器芯片：因为现今的一个处理器往往就需要多达十亿个相同的元器组件。
电子能以10倍穿过硅材料的速度穿过石墨烯和碳纳米管（CNT）。由于石墨烯没有能带隙（或者更确切地说使无穷小的带隙宽度），碳纳米管可以称得上是真正的半导体，因此亨施认为，碳纳米管绝对是一个替代硅材料的有力竞争者。事实上，也就在不久前，来自斯坦福大学的研究人员成功研发出全由碳纳米管制成的半导体处理器。
如同德州仪器的科伦坡所预见，亨施指出碳纳米管之间的距离必须小于10纳米才能与硅材料一争高下。由于无法使用例如电子显微镜的顶端来单独放置电子管，所以我们需要元器件的自组装功能。
新材料的问世也带动器件上新型结构的诞生。亨施指出就目前而言，至少有3个基础研究领域中的变化。双层石墨烯BisFET成功地创造出基于石墨烯材料的Bose-Einstein凝聚体，这仍是一个尚未完成的壮举。所谓Klein隧道装置正是利用石墨烯中的电子具有光子的行为特征来模仿硅晶体管的PN结。理论上的速度是非常快的。在另一个新的体系结构中，只要压电场效应晶体管被制作得足够小，那么它的速度也是非常快的。
亨施不希望的CMOS会很快消失。“这将与我们同在到至少2020年。”他说，“通过冷却或是其他‘附加’特征，CMOS的性能会得到增强，其生命也将因此得到延长。”
定向自组装
向一个芯片上焊接更多的元器件不仅仅是要求其更小的元器件尺寸。这些元器件必须并行创建，以免要花费太多的时间进行设备的组装。一种前途光明方法已经问世，那就是定向自组装（DSA），这一方法是由位于比利时IMEC研究中心的罗埃尔·格伦菲尔德（Roel Gronfied）提出的。
格伦菲尔德和他同事们正在研究的DSA类型正是从从嵌段共聚物中所获得的灵感。嵌段共聚物被发现于1970年，通常是拥有相比对其他物质更强聚合力的两种不同聚合物所组合。50-50对半组合将自发地形成交替的两个物质层；而一个75-25的混合比例则会在另一个大量物质成分中形成少量物质的柱面。
同样自组装趋势还体现在共混聚合物上，其结构形成要难于嵌段共聚物，但在处理程序上则更容易。纺锤条状的表面上，50-50的分布比例使其呈现为交替条纹，其宽度是单独聚合物链的两倍宽。如果元器件的极性不同，有机溶剂可用于溶解和去除其中不同种，从而留下极性相同的元器件。
IMEC的自组装技术中“定向”技术是来源于带有引导图案的共混聚合物，其引导图案的尺寸约为100纳米左右，从而可通过如今光/蚀刻技术来制备。图案内形成的条纹或其他特征最终会小于该图案的尺寸。
格伦菲尔德列举出了基于DSA进行的一些100纳米特征尺寸的元器件测试结果。言语中他还透露出IMEC有望使用到基于10nm的图案尺寸。挑战依然存在于如何来核实其结构未遭破坏。
相变存储器
计算机内存中拥有可以快速访问信息的电荷，无论其形式是电容（DRAM）亦或是晶体管（NAND，其中闪存是最常见的变体）。内存芯片的业务营业额一年可以达到520亿。为了应付每月上传的数以百万计的视频和其他文件，谷歌和其他数据仓库运行着各自庞大的数据中心。数据中心的约一半的电费产生于内存冷却。
在谈话中，美光科技的罗伯特·贝兹（Roberto Bez）概述了他公司最近在新型内存变相存储器的发展，变相存储器比任何DRAM或NAND有着更高的信息存储的能源效率。贝兹指出用变相存储器来替代DRAM和NAND将是非常有必要的，因为这两种技术已快触及其本身的物理极限。在当今新的内存模型中，PCM无疑是最先进的。
PCM中的“相变”指的是一种结晶相和透明非晶相之间可逆的，热诱导过程。包括周期表中第VI组氧族中的一个元素在内的材料会经历这样的变化。贝兹所在的镁光科技使用的为Ge2Sb2Te5。
在PCM存储器中的每个Ge2Sb2Te5单晶体管都会与一块电阻器进行耦合。即使一个非常微小的加热元件也会影响到相位的变化，这通常由电阻值的变化反映而出（非晶相比结晶相更具有电阻）。
贝兹列出PCM的优点。不同于NAND，在每个单独单元或位进行寻址时，由于变相速度，其读写速度也会更快。PCM的变化具有鲁棒性和可重复特性，从而使其具有耐久性（百万次循环）和保持性（一次切换，相位保持）。它也具有扩展性：一个存储芯片上没有存储单元结合数量上的物理限制。
美光科技在2009年就开始制作用于演示的设备。目前已经生产出1 GB内存的演示产品，并提出45纳米的单元尺寸。它可以工作在1.7 V电压，-40℃至85℃的工作环境温度下。Bez预言PCM内存将被首次用于低端手机上。结合了PCM与NAND技术的混合内存能够提供比单独NAND更快的读写速度。较DRAM内存而言，PCM与DRAM的混合内存将使用更少的功率。
全球450mm联盟
现代电子学的基础就是从大型圆筒状纯硅晶体上切割下来的晶元片。为了应对不断上升的计算需求，晶元的最大标准直径在不断增大。从目前的标准来看，也是2003年推出，为300毫米。下一个标准就是在酝酿之中的450毫米。
来自SUNY Albany的保罗·法勒（Paul Farrar）在他的谈话中这样解释道，450毫米标准的实现需要全球五个主要芯片制造商的共同努力。压缩成本是使这些竞争对手一起合作的主要原因。建造一个200毫米晶圆的工厂需要十亿美金资本的投入，而一个450毫米晶圆厂将须动用一百亿美金。也许英特尔，三星，或其他芯片制造商准备花费如此庞大的金额大兴土木，但这个前提必须是当所有必要的制造方法步骤，工具和测量设备已准备完毕才行。为了解决这些问题，于是诞生了全球450mm联盟（G450C）。
成立于2008年，G450C汇集了包括加州的Intel，纽约的IBM，韩国的三星，台湾的TSCM等全球芯片工厂。该财团的研发机构设在纽约州的奥尔巴尼，由纽约州立大学奥尔巴尼分校的纳米科学中心进行相关的工程管理。纽约州提供所需的科研资金并减免相关税收。
对于新工具和流程中的需求部分是来自于晶片大小的改变。除了要用比以前的300毫米宽50％的宽度标准，450毫米晶圆片要比300毫米的晶圆片重达两倍多。即便如此，G450C成员已承诺在450毫米晶圆片制造过程中所使用的酸性清洁试剂和其他化学物质的量将与300毫米晶圆片相同。
芯片制造商并不是纵向地进行整合。他们依靠其他公司所提供的工具和材料开展研究。这些公司，实际上对于参与和投资G450C的兴趣并不是他们的出发点。法勒解释道，他们这样做完全是出自他们对未来预期的收益。例如尼康公司，最近刚刚签署了EUV浸没式光刻工具的开发项目，其最终目标就是为了成功开发出10纳米尺寸芯片。
G450C已生产出14纳米尺寸的晶圆片。缺陷的数量已经由2010年的每晶圆3000片降低到2013年的35片。晶圆片的平整度不断提高。到2013年底，生产速度可以达到每月11000片。
G450C的目标是在2015年年底，为其主要合作伙伴完成整套晶圆片生产工具和流程的开发。如何快速地将晶圆制成的新的元器件并将之推向市场，这是一个商业决定。一方面，厂房所需的建设资金成本是相当巨大的。另一方面，每一次新的更大的晶元片尺寸的推出，都伴随着30％的生产设备成本的降低。
资料来源 Physics Today
责任编辑 粒 灰