【书  名】“后摩尔时代”微纳电子学

【作　者】中国科学院，国家自然科学基金委 著    

【出版者】科学出版社

【索书号】N12/6032(22)

【阅览室】自然科学阅览室

内容简介

微纳电子学是信息技术学的基础，是信息时代产业发展的基石。《中国学科发展战略·“后摩尔时代”微纳电子学》依据微纳电子学科的生态系统，将该学科细化为“后摩尔时代新型器件基础研究”“基于新材料的器件与集成技术基础研究”“新工艺基础研究”“设计方法学基础研究”“集成微系统技术基础研究”五个领域进行具体阐述，通过对微纳电子学发展历程的研究，提炼出“摩尔时代”微纳电子学研究的一般性规律和方法；通过对微纳电子学当前研究前沿热点的跟踪，预测出“后摩尔时代”微纳电子学的发展趋势；并在此基础上结合我国目前该学科的发展状况，提出相关的政策建议。

摘要

微纳电子学是信息技术学的基础，是信息时代产业发展的基石。本书是在2012年完成的中国科学院学部部署的“摩尔时代微纳电子学科发展战略研究”的基础上，在中国科学院学部和国家自然科学基金委员会联合支持下开展的反映新的发展阶段一“后摩尔时代”的微纳电子学科发展战略研究的成果。依据微纳电子学科的生态系统，本书将该学科细化为“后摩尔时代新型器件基础研究”“基于新材料的器件与集成技术基础研究”“新工艺基础研究”“设计方法学基础研究”“集成微系统技术基础研究”五个领域进行具体阐述。以期通过对微纳电子学发展历程的研究，提炼出摩尔时代微纳电子学研究的一般性规律和方法；通过对微纳电子学当前研究前沿热点的跟踪，预测出“后摩尔时代”微纳电子学的发展趋势；结合我国目前该学科的发展状况，提出相关的政策和建议。

“后摩尔时代新型器件基础研究”分析了“后摩尔时代”大规模集成电路的核心器件技术，以及未来可替代的新器件技术的国内外研究现状和发展趋势，对器件研究中存在的科学问题和关键挑战进行了阐述，并对不同器件技术的应用前景进行评估，最终给出了“后摩尔时代”器件基础的技术路线预测图。传统的硅(Si)基器件在多栅、超薄沟道结构及三维集成技术的支持下仍然将保持强大的生命力，随着功耗和性能瓶颈的逼近，高迁移率沟道等新材料和量子隧穿等新工作机制的引入将为传统器件提供新的发展空间，而随着对半导体材料的光、电、磁等特性的充分研究，非金属氧化物半导体(MOS)器件也将在某些领域为集成电路技术发展提供新的解决思路。

“基于新材料的器件与集成技术研究”主要包括基于新材料的中国学科发展战图。“后摩尔时代”微纳电子学硅基器件、化合物半导体器件与集成技术、基于新材料的硅基集成技术和基于互补型金属氧化物半导体(CMOS)工艺的硅基混合光电集成技术四个方向。本书分析了该领域国内外研究现状和发展趋势，归纳了当前所面临的机遇与挑战，论述了其中的若干关键问题：①采用Ge、 GeSn、InGaAs、InP等高迁移率沟道材料，是提升CMOS的性能、促进其进一步发展的新动力；②挖掘以SiC、GaN为代表的新材料的优势，可作为信息器件频率、功率、效率的发展方向；③开展InP、GaN等新材料与硅基材料的技术融合，是支撑功能集成的新思路；④开展微纳结构下新型光电子器件与硅基电子器件的集成技术，是支撑光电融合的新方向。

集成电路工艺技术的发展对推进摩尔定律起了重要作用。一种较为普遍的说法是22/20nm、16/14m两个技术节点是集成电路从“摩尔时代”走向“后摩尔时代”的分水岭。以非平面鳍式栅场效应晶体管(FinFET)和超薄绝缘体硅(silicon-on-insulator,SOI)技术为先驱，16nm节点有可能以三维新型器件为主流技术。本书讨论了集成电路新工艺的国内外研究现状与发展趋势，梳理了产业界过去5-10年采用的新工艺技术，总结了新工艺从提出到产业化。应用的内在影响因素及规律，提出了集成电路新工艺的发展趋势，给出未来5-10年可能应用于大规模生产的新技术发展路线图，并提出集成电路工艺的发展建议。

电子设计自动化(EDA)技术成为集成电路设计方法学的支撑载体。以系统集成芯片(system on chip, SoC)设计工具为代表的核心EDA技术包括软硬件划分、软硬件协同设计、软硬件协同验证和知识产权核(Itellctual property core,IP核)生成复用等。集成电路设计方法向上采用系统级设计，向下与工艺结合更紧密。设计方法学将沿着高层基于系统行为级的电子系统级(ectronic system level， ESL)方向发展。挑战主要源于工艺技术的不断变革，低功耗乃至超低功耗设计方法和技术成为集成电路设计方法发展的一个重要方向。随着工艺技术的进步，基于硬件可重构计算技术的集成电路设计方法也将成为未来集成电路设计的重要发展方向。

微机电系统(MEMS)经过近30年的发展，逐渐从器件走向系统，正在向集成微系统发展。本书介绍了集成微系统技术的概念，指出集成微系统技术是利用微电子技术将热、光、磁、化学、生物等结构和集成电路制造在单芯片上的复杂微型系统；总结了集成微系统技术重要的标志性成果和发展规律。在此基础上，对集成微系统技术的发展趋势进行了总结：集成微系统技术正朝着微型化、集成化、多功能化、智能化与网络化的方向发展。本书还梳理了集成微系统技术面临的机遇与挑战。集成微系统技术的机遇主要来自为超越摩尔定律提供技术支撑，以及从需求出发设计制造含传感器、执行器和处理电路的集成微系统。主要挑战是高效批量地制造出各种特殊的微机械结构并与电路集成在一起构成集成微系统。