摩尔定律会失效吗？得问一道“墙”
作者：董雪
就像武侠小说里侠客追求天下第一，竞技场上健儿刷新世界纪录，芯片制造业几十年来的梦想也有一种概括方式——摩尔定律。
不错，也许你也清楚摩尔定律是怎么回事——不就是“集成电路不断缩小尺寸，内部晶体管数量每隔一段时间就会增加一倍”的意思嘛！
但是，如今一枚指甲盖大小的芯片已经能排布数以亿计的晶体管。你有没有想过，摩尔定律会失效吗？
有人拿盖房子打比方。想要在同样的空间里排布更多晶体管，类似于在一层楼里盖出更多房间。到最后房间越来越小、墙壁越来越薄，就可能连基本的隔音都保障不了，住户之间相互干扰。
要是一定要把增加房间进行到底呢？“那也许就得在墙的问题上动动脑筋了？”
恭喜你答对了。芯片中哪一部分相当于“墙”呢？就是绝缘材料。要想继续刷新摩尔定律，更小更薄还不能漏电的绝缘材料，就成了大家的梦想……
从二氧化硅到氧化铪
栅介质材料是芯片中最为关键的绝缘材料，也就是造“墙”的主角。考虑到它位于晶体管内部，我们得先简单了解一下晶体管。
芯片测试设备在测试芯片 杜子璇 摄
作为组成芯片的基本单元，晶体管是20世纪的重大发明之一。1947年威廉·肖克利、约翰·巴丁和沃尔特·布拉顿在美国贝尔实验室里造出世界上第一个晶体管，彻底改变了电子学的面貌。
以最常见的场效应晶体管为例，它主要由源极、漏极、栅级组成。这些名词极少出现在我们生活当中，要想理解得发挥一下想象力——
你可以把场效应晶体管想象成一个带有水龙头的水管结构，把电流想象成水流。电流从源极流出，从漏极流走，栅极作为“水龙头”的开关位于二者中间上方的位置，作用是开关电流或控制电流强弱。
栅介质被源极、栅极和漏极夹在中间，防止三者之间漏电。另外，还有一种沟道材料也非常重要，类似承载水流的水管，后面它还会登场。
那么，最早的栅介质材料是什么呢？“在晶体管诞生之后的数十年时间里，业界一直使用二氧化硅作为栅介质材料。因为传统集成电路是硅基的，二氧化硅是硅的天然氧化物，可以与硅形成完美的接触界面。”中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究员狄增峰这样梳理栅介质材料的变迁。
本世纪初，集成电路制程演进到90纳米以下，二氧化硅再充当栅介质材料就到了体力极限，氧化铪来接班了。
氧化铪接班凭什么？凭不一般的绝缘能力。绝缘能力的指标是介电常数，二氧化硅的介电常数在4以下，氧化铪的介电常数可以高出4倍至6倍！
“人造蓝宝石”有啥不一般？
为了进一步提升氧化铪作为栅介质的性能，业界后来又开发出氧化铪与二氧化硅、氮化硅结合的材料，只为优化氧化铪的接触界面。
可是，当芯片制程继续进步，7纳米、5纳米、3纳米……不断向埃米尺度演进（1埃米=0.1纳米），氧化铪也力不从心了，下一代绝缘材料成为业界研究的热点。
最近，中国科学家给大家带来好消息。狄增峰团队开发出单晶氧化铝栅介质材料，这种材料即使厚度仅有1纳米，也能有效阻止电流泄漏。
蓝宝石就是由氧化铝组成的，因此新开发的材料又被称为“人造蓝宝石”。单晶是它最显著的特点，意味着这种材料在微观层面排列得十分整齐有序。“完美无瑕的晶体可以尽量避免漏电。”狄增峰说。
狄增峰研究员（左二）与研究团队讨论芯片栅介质材料研究进展
这种“人造蓝宝石”的诞生过程很奇妙，源于一个偶然的机会。2004年关于石墨烯的发现获诺贝尔奖后，学界争相探究石墨烯，狄增峰团队也投入其中。不久，他们发现锗基石墨烯上可以生长金属，并且长出的金属很容易剥离。尝试进行了近20年，2023年，团队一名学生意外发现，铝在锗基石墨烯上长得特别好，特别是在缓慢氧化的作用下，可达单晶状态。
看来，发现“人造蓝宝石”，也是一个有关耐心的故事。
新型集成电路还有多远？
单晶氧化铝栅介质材料另一个特别之处在于，它可以服务于新型集成电路，更有望突破传统芯片物理极限。
前面提到的沟道材料，也是决定晶体管大小的一大关键。最早的沟道材料就是硅，之后是应变硅（一种改变了物理性能的硅，能承载更大的电流），后来又升级为锗硅材料。
今天的学界共识是，厚度仅为1个或几个原子层的二维半导体材料可望成为下一代芯片的理想沟道材料，比如二硫化钼、碳纳米管。不过，二维半导体材料想要闪亮登场，必须得有高质量栅介质材料与之配合。
也就是说，“人造蓝宝石”的登场，让我们对二维半导体材料的诞生，有了更多憧憬。如狄增峰所言，未来，把芯片的基础材料也就是硅晶圆整体换成二维材料晶圆，也许并不是梦话。
你有没有兴趣猜一猜，到那时，摩尔定律会升级为怎样的“建筑术”呢？