六、微電子與光電子技術

微電子技術是指設計、制造和使用微小型電子元器件與電路，實現電子系統功能的技術，是現代信息科技的基礎。光電子技術則是光子技術與電子技術結合而成的交叉技術，涉及固體物理、導波光學、材料科學和半導體等學科，有望成為下一代信息科技的基石。2019年，微電子芯片制造工藝提升趨近極限，5納米芯片將于2020年量產，2納米芯片制程工藝已開始研發；光學器件性能提升為光電芯片的研制打造堅實基礎，光電芯片將加速自動駕駛、機器人和虛擬現實等技術的優化應用，推動半導體設備實現“從電到光”的轉換。

（一）微電子

信息技術的大規模應用使微電子技術得到快速發展，并逐漸發揮重要作用，而隨著計算機網絡技術及電子信息技術的飛躍式發展，以集成電路為核心的微電子技術更是發展至空前高度。當前，微電子技術發展面臨著物理規律、材料和工藝技術等多種因素的制約，科學家正逐步探索將微電子技術和其他學科進行融合，通過技術間的相互印證與補充，實現微電子技術的可持續發展。

1.臺積電推出6納米半導體制程技術

2019年4月，臺積電正式推出6納米半導體制程技術，新型芯片預計于2020年第一季度試產。臺積電6納米制程采用極紫外線光刻技術，與7納米制程相比，可將晶體管密度提高18%，而且其設計規則與7納米制程完全兼容，降低了升級成本。臺積電表示，6納米制程技術將應用于中高端移動網絡、人工智能、5G通信、高性能計算等領域半導體芯片的制造。

2.荷蘭阿斯麥公司開發下一代高數值孔徑極紫外光刻設備

2019年6月，荷蘭阿斯麥公司（Advanced Semiconductor Material Lithography，ASML）正積極開發下一代高數值孔徑 EUV 設備，新設備預計 2025年正式量產。該EUV設備通過提升透鏡解析度，將解析度和微影疊對能力提升70%，不僅能提高生產效率、提升良品率，還可以降低生產成本，滿足半導體行業對先進納米制程工藝的需求。

3.英美聯合研究團隊首次將微電子器件中的電子結構可視化

2019年7月，英國華威大學（University of Warwick）和美國華盛頓大學的聯合研究團隊首次將微電子器件中的電子結構可視化，并成功測量原子級厚度的二維半導體材料中電子的能量和動量。研究人員首先將一束紫外線或 X 射線光聚焦在局部區域的原子上，將電子撞出原子，然后通過測量逃逸電子的能量和行進方向，計算出其能量和動量。該研究揭示了電子特性隨電壓變化的規律，為精細調諧的高性能電子器件研究開辟了道路。

4.韓國蔚山國立科學技術研究院開發出全球首個三進制半導體元件

2019年7月，韓國蔚山國立科學技術研究院開發出全球首個三進制半導體元件。研究人員成功在大尺寸晶圓上創造出一種運用三進制邏輯的半導體元件。與目前的二進制半導體器件相比，基于三進制的新型芯片將縮短數據處理時間、降低功耗。三進制半導體架構將對高計算芯片開發產生重要影響，有助于人工智能和物聯網的發展。

5.美國賽雷柏系統公司推出晶圓級單體芯片

2019年8月，美國賽雷柏系統公司（Cerebras Systems）推出晶圓級單體芯片。該芯片具有12000億個晶體管，其片上面積高達46225平方毫米，擁有18千兆字節的片上存儲器和 400000 個處理核心，是有史以來片上面積最大、晶體管數量最多的芯片。該芯片將主要用于深度學習計算，其單片芯片峰值功率達 15 千瓦，其計算能力、功耗與發熱量與傳統芯片集群相當。研究人員放棄傳統的平面供電和導熱的布置方式，將電路和熱傳導路徑縱向布置，解決了芯片的供電和冷卻問題。美國賽雷柏系統公司表示，下一階段的目標是擴大生產規模并保證芯片穩定交付。

6.美國麻省理工學院開發出史上最大碳納米管芯片

2019年8月，美國麻省理工學院的研究人員利用14000多個碳納米晶體管，開發出史上最大碳納米管芯片。碳納米管具有優異的力學和電學性能，但自身的缺陷和可變性限制了其在大規模電子系統中的應用。美國麻省理工學院的研究人員改進了芯片設計和制造方法，克服了碳納米管的自身缺陷，證明了微處理器可以完全由碳納米管場效應晶體管制造。此項研究成果有望使碳納米管取代硅材料，廣泛應用于先進微電子裝置制造領域。

7.臺積電正式開啟2納米芯片制程工藝的研發

2019年9月，臺積電宣布正式開啟2納米芯片制程工藝的研發，并規劃建立2納米制程芯片工廠。臺積電表示，2納米制程工藝研發需要4年時間，最早將在2024年投產。在2納米制程工藝研發期間，臺積電將使用5納米及3納米制程工藝作為過渡，以滿足客戶需求。按照臺積電現階段規劃，其5納米制程芯片將于2020年大規模投入生產，3納米制程芯片將于2021年投產。

8.比利時科學家采用金屬有機框架材料研制出芯片絕緣新技術

2019年9月，比利時魯汶大學（University of Leuven）和比利時微電子研究中心（Interuniversity Microelectronics Centre，IMEC）的研究人員合作，成功采用金屬有機框架（Metal-Organic Frameworks，MOFs）材料開發出一項芯片絕緣新技術。研究團隊首先在金屬襯底表面沉積一層金屬氧化物層，然后將它與有機材料進行蒸汽反應，最終膨脹成多孔的MOFs材料。新型MOFs材料為納米結構，但堅固穩定，是一種良好的絕緣體，非常適合用作芯片絕緣材料。研究人員表示，該技術可用于開發更小、更強大的芯片，從而為自動駕駛和智能城市等應用提供更節能的解決方案。

9.美國約翰·霍普金斯大學開發出生產原子級半導體晶體的新方法

2019年11月，美國約翰·霍普金斯大學（Johns Hopkins University）的研究人員開發出生產原子級半導體晶體的新方法，該方法可用于制造功能更強大、結構更緊湊的電子設備。研究人員首先使用磷化氫氣體浸漬硅基板，隨后在此基板上引導單晶硅生長，形成超薄硅片。以此種方法制造的硅片具備更細小、質量更高的晶體結構。研究人員表示，此種制造方法成本更低、速度更快、效果更好，將使芯片體積更小、處理能力更強，或將重新延續摩爾定律。

（二）光電子

近年來，光電子技術以優于微電子技術的極高速度、超大容量及極低損耗等顯著特點成為全球科學研究的焦點，更上升為當今社會信息技術的重要支柱之一。光電子技術的應用范圍不只局限于信息技術，光電子技術在材料科學、先進制造和國防等領域都發揮了重要作用，其技術水平和產業能力已經成為衡量一個國家綜合實力和國際競爭力的重要標志。

1.韓國高等科學技術研究院開發出硅基光學相控陣芯片

2019年1月，韓國高等科學技術研究院（Korea Advanced Institute of Science and Technology，KAIST）開發出一款可應用于 3D 圖像傳感領域的硅基光學相控陣芯片。3D 圖像傳感器能夠將具有立體信息的深度數據添加到照片等 2D 圖像中，使2D圖像作為3D圖像被識別。3D圖像傳感器是各種電子設備“認知”世界的核心器件，可應用于自動駕駛汽車、無人機和機器人等需要準確感知周圍物體距離信息的場景。該芯片除具備3D圖像傳感器的功能外，還可以將捕捉到的3D圖像數據進行特定方向的無線傳輸，從而實現電子設備間高分辨率、高容量圖像信息的自由通信。該芯片有望嵌入智能手機，用于支持人臉識別、增強現實和虛擬現實等 3D傳感應用。

2.美國耶魯大學等機構研發出能夠發射基本線寬小于1赫茲的激光的微型激光器

2019年1月，美國耶魯大學（Yale University）、美國加州大學圣巴巴拉分校（University of California，Santa Barbara）、美國北亞利桑那大學（Northern Arizona University）和霍尼韋爾合作研發出一種微型激光器，該激光器能夠發射基本線寬小于1赫茲的激光。該激光器可集成到光子集成電路中，在微芯片廠的晶圓上實現規模化制造。研究人員將高端激光器的性能轉移到光子微芯片上，可大幅降低芯片尺寸和制造成本，并推動該技術應用于光譜、導航、量子計算和光通信等領域。

3.美國加州大學伯克利分校研制出新型二維光學相控陣芯片

2019年4月，美國加州大學伯克利分校研制出高速、可編程、大陣列的二維光學相控陣芯片。與傳統的硅光、液晶等光學相控陣技術相比，該芯片創新性地將新型光柵結構與硅基微機電技術結合，不僅可實現無損的光學耦合，而且具有更經濟、更高速及更高可靠性的優點。此外，該芯片的光柵結構可同時應用于從可見光到近紅外的寬帶光譜，不受硅光片上集成的波長限制，從而可直接應用于新一代醫療成像設備、光通信和全息電視等領域，并可為自動駕駛汽車提供更強大的激光雷達傳感器。

4.美國斯坦福大學開發出可用于開發光學計算機的光子二極管

2019年7月，美國斯坦福大學的研究團隊開發出的新型光子二極管能控制光子朝單方向流動。研究人員使用成對的超薄硅片捕捉光線并增強光子螺旋運動，直至光子通過。光子旋轉產生的振動能夠阻擋光子的反向運動，從而使光子單向通過。研究人員將在該光子二極管的基礎上，使用光線和光子代替電子來研制光學計算機，以實現更高速度的計算。

5.美國加州大學圣地亞哥分校開發出世界上最薄的光導器

2019年8月，美國加州大學圣地亞哥分校開發出僅有3層原子厚度的光導器，使該光導器成為世界上最薄的光學器件。該光導器由懸浮在硅框架上的二硫化鎢單層構成，其厚度約為普通光纖直徑的1/10000、集成光子電路中光導器厚度的1/500，光線在其內部以全反射的方式沿平面傳播。該研究證明了光學器件可縮小到比現有器件小幾個數量級的尺寸，將促進更高密度、更高容量光子芯片的發展。

6.新加坡南洋理工大學開發出納米尺度光學尺

2019年9月，新加坡南洋理工大學的研究人員開發出可測量納米級距離的光學尺。此前的光學器件受衍射極限限制，最小分辨率為400納米，無法觀測病毒及納米粒子等微小物體。新加坡南洋理工大學的研究人員通過計算激光超震蕩現象的梯度，可完成單個原子尺寸的長度測量。該光學測量方法可用于微小系統制造中的質量控制，助力半導體和光電子器件開發。

7.日本電報電話公司開發出納米光子學芯片

2019年11月，日本電報電話公司（Nippon Telegraph&Telephone，NTT）開發出集成納米光子學技術的芯片，實現了光電轉換元件的小型化。該芯片由高密度集成光元件組成，其元件數量更少，體積大幅縮小。該芯片可應用于異構計算系統，并可實現高效、海量的數據處理，超低延遲檢測和模式匹配處理等功能。研究人員表示，他們將在納米光子學芯片的基礎上開發高性能、低能耗的光電融合型信息處理芯片。

8.DARPA啟動“通用微光學系統激光器”項目

2019年11月，DARPA啟動“通用微光學系統激光器”（Lasers for Universal Microscale Optical Systems，LUMOS）項目，以沖破光子微系統的發展障礙。該項目是 DARPA“電子復興計劃”的一部分，擬利用新材料和異構集成技術，開發將激光器、放大器、調制器、波導、檢測器等多種光子器件集成到單塊芯片上的方法，該方法將支持從數字和模擬通信到導航和定時，再到量子測量和計算的多領域應用。該項目將在項目執行期的各個階段結合武器裝備系統進行演示，旨在為美國國防部帶來作戰優勢。此外，該項目還有望創新現有工廠制造光子集成電路的工藝，提升光子器件的商業競爭力。