六、微电子与光电子技术
微电子技术随着集成电路和超大规模集成电路的应用而逐步发展成熟，为集成电路向微型尺寸、多功能集成、效能提升方向的演变提供了基础支撑，加快了信息时代社会数字化、智能化的发展节奏。近年来，科学家采用不同的方式方法展开对下一代电子学的探索，将光子技术与电子技术结合形成光电子学，为信息科技发展开辟了新的方向。2020年，微电子芯片制造工艺继续提升，2纳米芯片制程工艺取得突破，超低功耗黑磷隧道场效应晶体管研发成功，有望延续摩尔定律；可扩展光子计算机与微型光子芯片研发取得进展，为光电子学落地应用带来希望。
（一）微电子
微电子技术发展面临着物理规律的制约，在达到纳米级别制造工艺后，每次突破均需要研发力量和资金的大量投入，而且工艺水平在达到一定层级后将无法利用现有科学能力进行提升。因此，业界一直在追求更低成本和更广阔前景的发展路径，尝试了采用新的半导体材料、研发新型晶体管结构等手段完善和提升现有体系下的技术水平，这些有益的尝试为微电子学发展开辟了新的可能。
1. 以色列研究人员开发出可用于神经拟态计算的新型晶体管
2020年1月，以色列理工学院（Israel Institute of Technology，Technion）和以色列高塔半导体公司（Tower Semiconductor）研究人员开发出一种低功率新型晶体管。这种晶体管被称为“两端子浮栅晶体管”，可用于神经拟态计算。该晶体管不同于拥有3个或4个端子的传统晶体管，仅具有两个端子，并表现出忆阻器性质，可以对开关电压和时间进行精确调整。此外，两端子浮栅晶体管可以产生65种不同的电阻水平，且能将模拟数据保留长达10年。研究人员表示，该新型晶体管可由市售技术构建，相比传统忆阻器更为实惠、简约。该新型晶体管将有望用于神经拟态计算系统等需要大量忆阻器的装置。
2. 美国阿贡国家实验室开发出可用于制造电子器件的分子层蚀刻技术
2020年2月，美国阿贡国家实验室开发出分子层蚀刻技术，有望用于制造更小的电子器件。阿贡国家实验室研究人员将几纳米或几微米厚的半导体薄膜暴露于洁净环境的化学气体脉冲中，令气体与半导体材料进行反应，使得半导体薄膜以分子层厚度逐层减小，形成预想的厚度。该方式更加安全，不会破坏必要的器件结构，且与传统的薄膜蚀刻制造方法相比，分子层蚀刻的精度极高，有望帮助研究人员寻找控制纳米结构几何形状的新途径。这将为微电子学打开新的大门，并有望延续摩尔定律。
3. 韩国科学技术院开发出超低功耗黑磷隧道场效应晶体管
2020年2月，韩国科学技术院（Korea Advanced Institute of Science and Technology，KAIST）研究人员开发出一种厚度可控的黑磷隧道场效应晶体管（TFET）。该晶体管开关功耗是传统互补金属氧化物半导体（CMOS）晶体管的1/10，待机功耗是其1/10000。该晶体管在高导通电流下创造了极低的平均亚阈值摆幅，使得TFET晶体管能够像传统的CMOS晶体管一样快速工作，并且功耗更低。该研究解决了隧道场效应晶体管运行速度和性能问题，有望为延续摩尔定律铺平道路。
4. 台积电披露2纳米和3纳米芯片制程研发进展
2020年7月，台积电公司宣布在2纳米芯片制程取得重大突破，将以环绕式栅极（Gate-all-around，GAA）技术为核心突破点。而在2纳米技术推出之前，台积电将发布3纳米制程工艺，与三星公司展开直接竞争。据台积电披露的3纳米芯片制程工艺数据显示，其晶体管密度达到2.5亿/平方毫米，为7纳米制程工艺晶体管密度的3.6倍。在性能上，3纳米芯片较5纳米芯片性能提升7%，能耗提升15%。此外台积电还表示，3纳米工艺研发符合预期，并没有受到疫情影响，预计在2021年进入风险试产阶段，2022年下半年实现量产。
5. 欧洲研究人员提出可取代薄膜晶体管的新设计
2020年8月，英国萨里大学（University of Surrey）、剑桥大学和意大利国立研究院微电子与微系统研究所（Institute for Microelectronics and Microsystems，IMM）联合团队研究人员共同开发出源极门控晶体管（Source-Gated Transistor，SGT），有望替代薄膜晶体管（Thin Film Transistor，TFT）。TFT的源极和栅极处于绝缘层的同一侧，而SGT的源极和栅极分别位于绝缘层的两侧，因而能在单位面积内布置更多的晶体管。在验证实验中，研究人员使用两个SGT实现了以往12个TFT才能达到的性能。与常规的TFT相比，SGT的制造过程更加简洁，使得良品率更高、成本更低。SGT的研究有望使电子设备的尺寸继续缩小，进一步推动可穿戴设备等紧凑级电子设备的发展。
6. 韩国国立蔚山科学技术院开发出新技术，有望大幅提高铁电存储器的容量
2020年8月，韩国国立蔚山科学技术院（Ulsan National Institute of Science and Technology，UNIST）研究人员开发出一种新技术，有望大幅提高铁电存储器的容量。蔚山科学技术院研究人员发现，如果向二氧化铪铁电氧化物材料施加3～4伏电压，原子之间的相互作用会消失，从而可以通过控制4个单独的原子来存储1位数据。凭借该技术，有望将半导体存储器的存储密度提升至500太比特/平方厘米，是常规闪存芯片的1000倍。研究人员表示，在半导体设备微观结构设计达到极限时，如果能在原子中储存信息，则有望在不分裂原子的情况下延续存储设备的发展，进一步缩小半导体尺寸。
7. 美国加州大学洛杉矶分校使用二维半导体材料制造可编程电子设备
2020年11月，美国加州大学洛杉矶分校研究人员开发出一种新方法，可使用二维半导体材料制造可编程电子设备。二维半导体材料的厚度仅为一个或几个原子直径，由于其晶格内可掺入杂质掺杂剂的空间较为有限，导致这种半导体材料控制载流子类型和调整电子性能的能力相对较弱。加州大学洛杉矶分校研究人员利用碘化银中的超离子相变过程来调整二硒化钨制构成的二维半导体材料中的载流子类型。该研究打破了二维半导体的局限性，首次证明了超离子材料可用于控制二维半导体的电荷载流子类型，并可以创建极性可切换的可编程电子组件，如二极管和晶体管等。
（二）光电子
光电子技术是当前全球最尖端的物理领域之一，其技术水平和产业能力已经成为衡量一个国家综合实力和国际竞争力的重要标志。光电子技术应用范围广泛，覆盖激光、光通信、精密仪器、光谱探测、图像处理、生物影像、原子物理、量子通信等领域。2020年来，全球研究者对光电子技术的探索不断取得积极成果。
1. 英国牛津大学开发出光电双重性的新型存储单元
2020年1月，英国牛津大学（University of Oxford）研究人员开发出具有光电双重性的新型存储单元，可减少光电信号转换的耗能。光通信具有较低的功率阈值，因此相比于电信号通信延迟更低，而在信息利用过程中，光电信号转换需要消耗大量能量。牛津大学研究人员使用一种非易失性的锗基化合物构建新型存储单元，可分别对传递的光信号或电信号进行处理。该技术可促进光子晶体管的发展，并为光子电路和光子神经网络的开发铺平道路。
2. 上海交通大学开发出新型可扩展光子计算机
2020年2月，上海交通大学研究人员开发出一种结合集成芯片、光子概念和非传统计算架构的光子计算机。为衡量光子计算机的计算能力，研究团队在该计算机上求解了名为“子集和问题”（SSP）的经典问题。研究人员成功将SSP映射到三维集成光波导网络中，并借助飞秒激光直写技术将其刻写在光子芯片内部。当光子注入光波导网络时，计算过程被激活。光子作为计算载体，在光波导网络中演化，并行搜索所有可能的演化路径来寻解。研究发现，得益于光子计算机的并行运算方式、集成光波导网络的紧凑性，以及光超高的传播速度、强抗干扰能力等特性，它对SSP的求解速度更快、效率更高。随着传统集成电路无限逼近物理规律极限，对新型计算手段的探索日益成为科学家的关注重点。此项研究成果预示光子计算机有望成为未来的新一代计算工具。
3. 英国布里斯托大学开发出首个集成光子源
2020年5月，英国布里斯托大学（University of Bristol）研究人员开发出首个集成光子源，有望为大规模量子光子学技术提供支持。限制集成量子光子学技术规模的一个重要挑战是缺少能够产生高质量单光子的片上光源，因此，当电路复杂度增加时，量子计算中的误差会迅速累积，影响计算效果。为解决这一问题，研究人员利用成熟的互补金属氧化物半导体（CMOS）制造技术和新的光干涉技术，将具有数千根光纤和多个组件的电路集成到单个毫米级的芯片上，开发出首个具备在小型复杂光学电路中生成和控制单个光粒子能力的集成光子源。研究人员表示，该技术有望帮助制造者在单个芯片上集成数十到数百个光子，为大规模量子计算铺平道路。
4. 美国高校研究人员开发出超高灵敏度的雪崩光电二极管
2020年5月，美国弗吉尼亚大学（University of Virginia，UVa）和得克萨斯大学奥斯汀分校（University of Texas at Austin，UT-Austin）的研究人员开发出一种具有超高灵敏度的雪崩光电二极管。该研究成果基于一种铝、铟、砷和锑组成的合金，这种合金兼具长波灵敏度、超低噪声和实现低暗电流所需的设计灵活性，而现有的雪崩光电二极管材料技术则无法提供以上性能。同时，研究人员通过测试将该二极管的光栅格大小定为2微米，以在探测时保护人眼安全并扩大检测范围。研究人员表示，该研究成果有望促使更先进的夜视成像和激光雷达技术推出。
5. 德国研究人员利用光子引线键合技术实现多光子芯片混合组装
2020年5月，德国卡尔斯鲁厄理工学院、亚琛工业大学（RWTH Aachen University）和海因里希·赫兹研究所（Heinrich Hertz Institute）的研究人员利用光子引线键合技术，实现了硅光子调制器阵列与激光器和单模光纤之间的键合，制造出光通信引擎。研究人员利用先进的三维光刻技术将光学引线键合到芯片上，从而有效地将各种光子集成平台连接起来，并简化了先进光学多阶模块的组装过程，从而实现了从高速通信到超快速信号处理、光传感和量子信息处理等多种应用的转换。该研究成果降低了多光子芯片的组装难度，可以提高混合光子集成电路的制造能力。
6. 瑞士苏黎世联邦理工学院开发出高速等离子芯片，可将快速电子信号直接转换为超快光信号
2020年7月，瑞士苏黎世联邦理工学院研究人员开发出高速等离子芯片，可将快速电子信号直接转换为超快光信号，且信号质量损失极小。此前，业界一直在研究光电转换芯片，但存在光子与电子设备尺寸差异大、造价昂贵和信号损耗等缺陷。苏黎世联邦理工学院研究人员将电子和光子组件紧密连接，并利用“片上通孔”的结构将它们直接连接，消除了光子与电子设备之间的尺寸差异，且将能量损耗降至极低。研究人员通过等离子技术压缩光波，将4个较低速的输入信号捆绑和放大，形成高速的电信号，可以以100吉比特/秒的速率传输数据。该研究为光通信中的高速传输提供了新的思路。
7. 美国乔治·华盛顿大学提出光子张量处理器新设计，使用光执行神经网络计算
2020年7月，美国乔治·华盛顿大学（George Washington University，GWU）研究人员提出一种新的方法，使用光代替电来执行神经网络计算。研究人员设计出一种光子张量处理器，用以并行执行矩阵乘法，从而提高深度学习的速度和效率。光子张量处理器具有电光互连功能，能并行存储和处理数据，并高效地读写光学存储器。研究人员表示，集成了高效光学存储器的集成光子平台可以获得与电子张量处理器相同的性能，但是能耗更小、吞吐量更大。如果经过适当的训练，光子张量传感器可以用于执行快速推理任务。此外，光子系统也可用于计算节点分布式网络和5G边缘网络。
8. 美国罗切斯特大学开发出超小型电光调制器，有助于缩小光芯片体积
2020年8月，美国罗切斯特大学开发出超小型电光调制器，有助于缩小光芯片体积。与传统的电子电路相比，光子电路具有更高的速度、更大的带宽和更高的能源效率。但是，由于高精度、高质量的纳米光子硬件结构难以制造，光子电路的体积无法做得足够小，阻碍了其与传统电子电路的竞争。罗切斯特大学研究人员使用铌酸锂创建光子微腔，并以此为基础在二氧化硅层上构建铌酸锂薄膜，从而开发出超小体积的电光调制器。单个微腔的尺寸仅为1微米，可在室温下对2～3个光子进行操控。该研究为实现大规模光子集成电路奠定了基础，有望促进光子通信、量子光子学等研究的发展。
9. 德国基尔大学精确模拟电子与光相互作用
2020年9月，德国基尔大学（Kiel University）研究人员开发出一种新方法，可以尽可能精确地描述电子与光之间的相互作用。过去，研究人员需要依赖高性能计算机来模拟电子与光的相互作用，且其模型具有一定的局限性。基尔大学研究人员提出一种新的理论模型，将麦克斯韦和薛定谔方程组合在一个与时间有关的循环中，以模拟第一性原理支配下的电子与光的相互作用。这种模拟首次在理论上精确描述了光谱学中的超快速过程，并能在不考虑绝热近似条件的情况下将电子与光的相互作用实时地显示为图像。由此，研究团队可以了解电子与光相互作用时，电子的能量、动量及总体上电子波包的形状如何变化。这一成果将有助于固态和分子系统的载流子动力学研究，以开拓更多的应用领域。