電子信息材料

陳弘達（中科院半導體所，北京 100083）

電子信息材料

陳弘達
（中科院半導體所，北京 100083）

1　前言

進入21世紀，整個世界正飛速地經歷著前所未有的關鍵性歷史轉折。在度過了農業革命、工業革命之后，人類也迎來信息革命和知識經濟時代。2049年是新中國100年華誕，可以毫不夸張的說，那時的中國已列入發達國家行列，我們的科學技術將躋身科技強國的前列，電子信息材料產業也將得到穩步、健康的發展。

未來幾十年，隨著科學技術的持續快速發展以及人類生活水平的不斷提高，實現人與信息的有效融合從而加速社會信息化是科技的一大發展趨勢。微納電子進入后摩爾時代，集成電路不斷向縱深發展，對支撐其產業發展的材料也將提出更高的要求；計算機正面臨體系結構的變遷，存儲架構發生變革，類腦存儲技術將應運而生。與此同時，更加智能的、便攜式的、柔性的、環保節能的、可穿戴的或可植入人體的電子產品也將逐漸融入人們的生活。新系統、新算法、新材料，以及互連網、物聯網、云存儲/計算等一系列新技術將使人類生活發生翻天覆地的變化。

可以想象，以“類腦”技術為核心，以傳感技術、物聯技術、通訊技術、能源技術、顯示技術、全息技術、可穿戴技術以及精密驅動技術等為觸角，2049年的人們可以在任意時間、任意地點進行即時的通信、交流、辦公、管理、決策。家中的玻璃、鏡面、墻面、臺面等任何位置都會是信息操作與處理的平臺。身在2049年的我們也都將擁有自己的芯片，就像現在的身份證一樣。揮揮手就能自動鎖門，搖搖頭就能駕駛車輛，握握手就能傳送文件，甚至毫不費力地追蹤罪犯、定位逃犯，尋找目擊證人和失蹤人員。在金融領域，芯片一刷，就可以輕松支付，如果將個人數據，如護照信息等裝在里面，旅行也將會變得更加簡便。

隨著電子信息材料科技的發展，2049，未來的中國，未來的世界，將是多么令人向往和憧憬啊！

2　今天的電子信息材料

所謂電子信息材料是指在微電子、光電子、新型元器件等基礎電子信息產業中所使用的，能滿足電子信息產業專門要求的一定規格的材料。它是電子信息產業發展的支柱，同時也是隨著電子信息產業的發展而逐步發展起來的一個重要分支。目前，電子信息材料產業的發展規模和技術水平已經成為衡量一個國家經濟發展、科技進步和國防實力的重要標志，在國民經濟中具有重要戰略地位。特別是隨著高新技術產業對新材料需求的增加，電子信息材料以每年20%至30%的速度增長。

電子信息材料品種多，用途廣，涉及面寬，主要包括以單晶硅為代表的微電子材料；用于信息探測和傳輸的通信、傳感材料；以磁存儲和光盤存儲為主的數據存儲材料；及以激光材料、柔性顯示材料為代表的光電子材料等。這些基礎材料及其產品支撐著通信、計算機、信息家電與網絡技術等現代信息產業的發展。

2.1微電子材料

1947年12月23日美國貝爾實驗室的William Shockley、John Bardeen和Walter Brattain發明了晶體管，標志著人類進入固體電子學時代。1958年9月12日美國德州儀器公司的Jack Kibby在鍺襯底上將一個晶體管和其它元件集合在一起制造出第一塊集成電路；1959年1月，美國仙童公司的Robert Nocye提出在硅芯片上集成幾百個乃至成千上萬個晶體管的想法，并在同年7月付諸實施。在今天看來，第一個晶體管和第一塊集成電路就像兩只“丑小鴨”，然而正是蘊含在它們背后的革命性思想奠定了微電子工業的基礎，開啟了人類進入信息技術時代的大門。也正因為如此，上述兩項劃時代的發明分別在1956年和2000年被授予諾貝爾物理學獎。1965年，Intel（英特爾）公司創始人之一Gordon Moore（戈登·摩爾）在《電子學雜志》（Electronics Magazine）撰文預言“半導體芯片上集成的晶體管和電阻數量將每年增加一倍”，這被稱為摩爾定律。后來，被微電子工業界普遍認可的摩爾定律表述為：“當價格不變時，集成電路上可容納的元器件的數目，約每隔18-24個月便會增加一倍，性能也將提升一倍”。在過去的近半個世紀中，微電子工業就是按上述摩爾定律快速發展的。得益于此，電子設備不斷沿著速度更快、體積更小、價格更便宜和功能更完善的方向發展。目前，計算機已成為人們不可或缺的工具，而手機僅在我國的用戶數就已超過6億。毫無疑問，人類已經處于高度信息化的時代。從材料的角度來說，漫長的人類社會已經歷了石器時代、青銅時代、鐵器時代和鋼鐵時代，而今天的信息社會則是對應著“硅時代”。這是由于從上世紀五十年代開始，單晶硅作為基礎材料一直支撐著微電子工業的快速發展。在今后的幾十年中，以硅為代表的微電子材料仍將作為信息社會的物質基礎，發揮不可替代的作用。

2.1.1微電子產業的發展

圖2-1以計算機微處理器為例展示了微電子產業發展的歷程。1958年集成電路的發明使微電子產業開始了飛速發展的歷程。1966年美國RCA公司研制出CMOS集成電路，并研制出第一塊門陣列，為集成電路的發展奠定了堅實基礎，具有里程碑意義。1970年1Kb MOS存儲器芯片誕生，標志著集成電路進入大規模集成的時代。1971年Intel公司推出第一個采用MOS工藝的微處理器4004，這又是一個里程碑式的進展。MOS集成電路很快從小規模發展到中規模、大規模乃至超大規模集成電路。到1995年研制出1Gb DRAM，短短25年集成電路的集成度提高了6個數量級。

圖2-1　以計算機微處理器為例的集成電路的發展歷程

2003年Intel公司推出奔騰4E系列微處理器，使集成電路進入了亞微米時代。2007年基于全新45 nm high-k工藝的Intel酷睿2 E7/E8/E9上市。2009年Intel酷睿i系列創紀錄地采用了領先的32 nm工藝。2012年Intel公司宣布了22 nm 3-D三柵晶體管（FinFET）技術，實現了歷史性的技術突破。2014年Intel公司又發布了基于14 nm工藝的微處理器。在器件特征線寬不斷減小的同時，計算機微處理器的集成度在不斷提高，表現為晶體管的數目幾乎每兩年翻一番，如圖2-2所示。可以說，集成電路的發展速度是其它任何產業都無法比擬的。

圖2-2微處理器的晶體管數目隨年份所呈現的幾何級數增長

以集成電路為代表的微電子產業在2014年的經濟規模已經超過3500億美元，成為世界第一大高科技產業，帶動了個人電腦、互連網、智能手機和社交網絡的普及。微電子產業近50年的高速發展極大地改變了人類的生產和生活方式。可以毫不夸張地說，從各種民用工業到軍事工業，從發展中國家到發達國家人民的生活，乃至全球經濟，無不與微電子產業緊密地聯系在一起了。

2.1.2單晶硅材料的發展

推動微電子產業發展的根本因素之一是單晶硅材料的不斷發展。1950年貝爾實驗室的Teal和Little利用Czochralski法（直拉法）生長了硅單晶，1952年貝爾實驗室和西門子公司幾乎同時發明垂直區熔法生長硅單晶。由于直拉硅單晶中含有氧雜質而具有高機械強度和內吸雜（吸除金屬沾污）的功能，因此用于集成電路制造的硅單晶都是采用直拉法生長的。此外，相比于區熔法，直拉法更容易生長大直徑硅單晶。事實上，在上世紀50年代的相當長一段時間里，人們無法得到無位錯的直拉硅單晶，這是由于籽晶中存在的位錯會延伸到后續生長的硅晶體中。直到1958年，美國通用電氣公司的W.C.Dash創造性地提出“縮頸”工藝，即：在引晶后，將晶體的直徑縮小到2mm左右，然后逐漸放肩使硅晶體長大，由此得到了第一根無位錯硅單晶。十年后，Dash縮頸工藝開始在直拉法生長的硅單晶中被廣泛采用，直到現在這個工藝仍然是生長無位錯單晶硅的標準工藝。毫無疑問，Dash縮頸工藝為生產集成電路用硅單晶奠定了基礎。

集成電路特征線寬的不斷減小帶來芯片上晶體管集成度的不斷提高，單個芯片的面積隨之增大（其增長速度遠小于晶體管數目的增長速度）。一般而言，單一硅片上的芯片數目不小于1000時才會帶來顯著的經濟效益。因此，伴隨著集成電路特征線寬的不斷減小，硅片的直徑越來越大：從20世紀70年代的50-76mm、80年代的100-150mm、90年代的150-200mm增大到2000年后的200-300mm。目前，國際上已有領先的硅片制造商研發出450mm硅片，但有待集成電路制造的可行性驗證。當集成電路的特征線寬分別達到0.35μm和130nm節點以后，微電子工業隨之進入200mm和300mm硅片時代。相應地，對硅片質量的要求幾乎有了根本性的變化，表現為：在晶體質量上，除了傳統上對氧和碳的濃度、電阻率均勻性、位錯密度和氧化誘生層錯密度等有嚴格要求以外，新增了控制空洞型缺陷——晶體原生顆粒（COP）的要求；在幾何參數上，為了滿足越來越小的特征線寬所要求的光刻精度，對硅片的全局和局部平整度等幾何參數的要求不斷提高。除此之外，新增了硅片拋光表面納米形貌（nano-topography）的要求（即：在若干平方毫米范圍內的變化不超過20nm，如20nm@2×2mm2）以及微粗糙度（microroughness，在微米尺度內亞納米級別的變化）的要求；在硅片潔凈度上，可容忍的顆粒尺寸和數目更小、金屬沾污的水平控制在1010cm-2乃至108cm-2以下；在硅片服役過程中的表現上，要求硅片具有更好的內吸雜（吸除金屬沾污）的能力。因此，集成電路對200mm和300mm硅片生產所涉及的晶體生長、硅片加工、硅片清洗以及硅片熱處理等諸方面都提出了近乎嚴苛的要求。也因此，200mm和300mm硅片是名副其實的高技術產品。目前，日本的硅片制造商（Shin-Etsu和SUMCO等）在這兩大類硅片上占據的市場份額在60%以上，余下的份額主要由德國的Wacker Sitronic、美國的SunEdison和韓國的LGSiltron等公司占有，300mm硅片更是幾乎被上述5家公司壟斷。在國家科技重大專項的支持下，我國的若干廠家已開始批量生產200mm硅片，但要成為市場上的重要參與者還需走相當長的路。

進入200mm和300mm硅片時代，基于普通的無位錯生長工藝所制造的硅片幾乎難以滿足180nm節點以后的集成電路的要求。因此，業界從晶體生長和缺陷工程出發開發了如下所述的多種高性能硅片，如：低COP（Low COP）硅片和無COP（COP-free）硅片；退火硅片（Annealed wafer）；摻氮硅片（Nitrogen-doped wafer）；魔幻潔凈區（magic denuded zone，MDZ?）硅片等。總之，為了應對集成電路特征線寬不斷減小帶來的挑戰，200 mm硅片尤其是300 mm硅片的制造理念與小尺寸硅片的相比發生了顯著的變化。

2.1.3絕緣體上硅（Silicon-on-insulator，SOI）的發展現狀

目前絕大部分CMOS集成電路是采用厚度為700-800 μm的硅片制造的，但實際上晶體管的工作區域只占表面微米左右的區域。硅片的其它部分只是起到機械支撐的作用，有時還會產生對器件的干擾寄生作用。SOI材料指的是在絕緣體上生長的單晶硅薄膜，其厚度在十納米到幾個微米之間，這里的絕緣體通常是指硅上生長的二氧化硅薄膜。在SOI上制造CMOS器件，顯示出如下優點：①由于寄生電容的減小，SOI器件的運行速度與體硅器件相比提高了20-35%；②由于漏電流的減小，SOI器件的功耗與體硅器件相比減小35-70%；③沒有閂鎖效應；④襯底脈沖電流的干擾被抑制，軟錯誤發生率低；⑤與現有硅工藝兼容，可減少13-20%的工序。

進入21世紀以來，全球SOI市場保持持續向上增長的態勢，年復合增長率超過40%。利用SOI材料制備的芯片已經用于服務器、微處理器、打印設備、游戲設備、網絡和存儲設備以及諸如手表和汽車電子這樣的超低功耗場合。近年來，各種移動智能終端如智能手機和平板電腦有力地推動了射頻（RF）芯片的巨大市場需求，進一步為SOI材料提供了廣闊的市場。IBM，STMicro和Tower Jazz等廠商提供RF SOI代工業務，代工業巨頭TSMC和UMC更是躍躍欲試，欲在RF芯片代工領域一展身手，搶下更多的市場份額。全球已有接近三分之二的RF開關芯片采用SOI材料制造。Yole預計到2016年80%的手機開關芯片將采用SOI硅片。

目前，CMOS集成電路主要采用體硅和SOI材料制造，前者以Intel為代表，通過采用FinFET，已經將體硅工藝延續至14nm技術節點，并且有希望繼續延續至7nm技術節點；后者以IBM、Globalfoundries以及STMicro等為代表。在面向22nm及以下技術節點的FD（全耗盡）-SOI技術中，FD平面MOSFET得到了廣泛的應用。與體硅FinFET技術相比，FD-SOI技術由于功耗顯著降低、與硅平面工藝更兼容、成本效益更高而成為RF等應用領域的優選方案。例如，22nm FD-SOI具有28nm High-k/ metal gate工藝類似的成本，但功耗降低70%，面積縮小20%。目前，28nm/22nm FD-SOI產業鏈的全球生態系統正在完善，從SOI材料、Foundry工藝、IP以及產品設計都有業界頂級公司（如：意法半導體、Globalfoundries、芯源、Imagination、Synopsys等）參與。不過，SOI材料能否在可預見的將來成為集成電路用的首選基礎材料，還是取決于其在材料到器件全鏈條的制造成本上能否徹底勝出體硅材料。

2.1.4應變硅的興起

隨著CMOS器件尺寸的不斷縮小，短溝道帶來的二級效應逐漸顯著，由此導致器件的驅動電流隨尺寸縮小而提高的程度并沒有理論預測的那樣大。為改變這種局面，需要提高MOS晶體管溝道的載流子遷移率。通過引入應變來改變溝道的能帶結構，從而提高載流子的遷移率是一種行之有效的方法。雖然可以采用虛擬SiGe襯底技術制備出全局應變硅片，但在集成電路制造中更多地是采用局部應變硅。從90 nm技術節點開始，在MOS晶體管溝道中引入應變，使用氮化硅層在nMOS晶體管中引入單軸張應變；在pMOS晶體管中利用SiGe源漏與Si溝道的晶格失配來引入單軸壓應變；通過上述應變技術實現了nMOS與pMOS晶體管工作電流的顯著提升，分別達到了1.45 mA/μm-1和0.8 mA/μm-1。在65 nm技術節點，通過第二代應變技術引入更大的應力，分別使pMOS與nMOS晶體管中的應變提高了60%與80%，進而實現更大的工作電流。

如圖2-3所示，隨著器件特征線寬的不斷減小，必須引入新技術才能使晶體管的工作電流不斷提升。從Intel公司的90 nm至32 nm工藝節點的晶體管來看，結構并沒有發生大的變化，甚至溝道長度也只有略微的減小，其技術的進步主要體現在應變工藝以及High-k/金屬柵工藝的改進。自90 nm技術節點以后，應力技術對工作電流的貢獻顯著增大。在45nm和32nm技術節點，應力技術對工作電流的貢獻都明顯大于高k/金屬柵極技術的。其中，在32 nm節點，單軸壓應變使pMOS晶體管的空穴遷移率提升了2.5倍。可以說，應力技術的發展是硅基CMOS晶體管的特征尺寸得以持續縮小的重要保證。在22 nm技術節點，源漏尺寸的進一步縮小要求應變技術發生新的變化，即：在3-D FinFET晶體管中SiGe源漏用來在pMOS晶體管中引入壓應變，相應的Si：C源漏則用來在nMOS晶體管中引入張應變。

利用SOI硅片可以制備全局應變硅（Strained silicon on SOI，sSOI），它的制備方法有兩種：①先通過Smart Cut等SOI技術在絕緣層上生長弛豫SiGe層（SiGeOnInsulator，SGOI），再在弛豫的SiGe上生長晶體硅薄層。顯然，頂層的硅薄層中存在著張應變。通過調整SiGe的組分，可以調節頂硅層的應變。②先在硅片上外延組分漸變的SiGe層，再外延一層固定組分的馳豫SiGe層，最后外延一層應變Si層。將這一外延片作為源片，通過Smart Cut技術，就可以直接在絕緣層上僅保留應變硅層，而無馳豫的SiGe中間層。2006年7月，法國SOITEC公司宣布其應用于65nm節點以下的sSOI已上市，并成為業界首款量產的應變硅襯底。sSOI可用于制備網絡處理、運算、游戲及無線等產業所需的器件，對這些器件來說，速度與極低的功耗顯得十分重要。

圖2-3　MOS晶體管的工作電流隨各種新技術的引入而增長的情況

2.2存儲器材料

存儲技術是計算機體系中最重要的技術之一，與計算技術和傳輸技術共同構成了數字世界的基石。在摩爾定律的推動下，計算機處理器的性能穩步快速提升，在1975年至2005年的30年間，處理器主頻提升了近4000倍，并向高集成度的多核技術發展，相比之下，存儲技術的發展則要慢得多。由于存儲性能始終是計算機發展的瓶頸，從某種意義上講，計算機技術的發展又是圍繞著存儲技術的發展而逐步推進。存儲領域的每一次技術突破都帶來了數字世界的重大革新，也改變著人們的生活。

2.2.1存儲技術的發展

1956年IBM公司制作出世界上第一塊硬盤（HDD），大幅提升了數據的存儲和訪問速度，數據的復制也變得極為便捷迅速，從而解除了計算機軟件規模的桎梏。大半個世紀過去了，硬盤仍然穩穩占據著主要存儲介質的地位。同步動態隨機存儲（SDRAM）技術在計算機主存中的應用出現于上世紀90年代中期，單管即可實現一個存儲單元的結構優勢大幅度提升了主存的容量，軟件運行空間的釋放使得圖形界面成為可能，與人的友好交互能力將計算機帶入了千家萬戶。閃存（FLASH）技術最早在1984年由東芝公司的Fujio Masuoka發明。一方面，這種具有較大容量的芯片級存儲技術使得嵌入式系統得以迅速發展，大量的智能電子設備出現；另一方面，閃存也一步步替代傳統的軟盤、光盤，2007年，戴爾公司第一次將以閃存為主要存儲介質的固態硬盤（SSD）裝到筆記本電腦中作為產品銷售。高性能低功耗優勢使得固態存儲技術在市場中迅速崛起，近年來，高性能低功耗優勢使得固態存儲技術在市場中迅速崛起，全固態盤陣設備的推廣應用和3D NAND量產技術的成熟加速了大數據時代來臨的步伐。

時至今日，新的存儲技術已初見端倪。仍然謹守摩爾定律的Intel公司已于2014年投資啟動了10nm晶圓工廠的改造，半導體工藝已經全面進入了納米尺度范圍。這一技術的發展給了納米功能材料以前所未有的機遇，為納米器件的加工提供了成熟而穩定的生產手段。也正因如此，在性能遙遙領先的計算和傳輸技術對高性能存儲的迫切需求推動下，以相變存儲（PCRAM）技術為代表的一系列新型非易失存儲技術幾乎同時涌現。與PCRAM類似，憶阻器（ReRAM）、磁存儲器（MRAM、STT-MRAM）等新技術均以新型納米材料作為存儲介質。這些同時具備高密度和高性能的非易失存儲技術進一步打破了非易失存儲的性能天花板，接近內存的數據訪問速度和大容量的性能優點使得這些技術必將再一次改變計算機體系。2015年英特爾和美光公司宣布3D-Xpoint（3D-PCRAM技術）的量產標志著這一技術已基本成熟，我們已經站在了下一場變革的邊緣。

2.2.2存儲架構變革

在最初的intel 8086處理器問世時，并沒有專門的芯片組概念，CPU與內存、IO系統由一個門列控制芯片連接構成主板核心部件。進入386時代后，雙芯片結構的芯片組正式確立，按照它們在主板的不同位置，通常把兩個芯片分別稱作“北橋”和“南橋”。此后很長一段時間里，主板一直沿用了這種架構，其中靠近CPU的為北橋芯片，主要負責AGP顯卡、內存等高速設備與CPU進行數據交換，而慢速的存儲設備則通過南橋芯片的存儲控制器引出連接。

在這種情況下，存儲體系形成了由SRAM、DRAM、硬盤組成的層級結構，而從性能上看，這種層級結構并不理想，最主要缺陷在于DRAM和硬盤之間，不僅存在著納秒級和毫秒級響應速度性能鴻溝，而且還有著易失和非易失、隨機訪問和塊訪問的功能性差異。這些差異使得存儲在計算機體系中，形成內存和外存兩種截然不同的使用方式。

自從2014年，三星、海力士等主流存儲廠商相繼宣布3D NAND量產后，成本的降低使得基于NAND FLASH技術的固態盤正式成為存儲界的主力軍。從性能上看，FLASH出現在存儲層級結構中DRAM和硬盤之間，一舉將非易失存儲陣營的響應速度從毫秒級提高到微秒級，使得南北橋之間的性能鴻溝縮小，層級結構變得趨向完整。這種性能提升引發了大量新存儲產品的研發，非易失存儲設備開始出現在PCIe gen2/3甚至DDR3這些更為高速的總線上。然而低于十萬次的寫擦壽命和塊操作模式仍然成為阻擋FLASH高歌猛進的窒礙，各廠商不得不利用各種緩沖及磨損均衡手段去解決產品的性能和可靠性問題。

如果說FLASH技術的成熟使得存儲體系趨向更為完整，那么以PCRAM為代表的納米存儲技術的逐步成熟則直接撼動了存儲體系的根本，原有的存儲體系正面臨著一場變革，而變革的導火索就是2015年7月底Intel和Micron聯合宣布神秘的3D Xpoint技術的量產。納米存儲技術尚未正式登場就已經先聲奪人。3D Xpoint基于相變存儲技術加相變OTS開關組成存儲單元，并可實現3D存儲結構，7月公布了128 Gb試驗芯片，速度與壽命是NAND的1000倍，密度是DRAM的10倍，并稱其為1989年NAND閃存問世以來時隔25年存儲器技術最大突破。將作為存儲級內存（storage class memory）主流技術對未來新一代的計算機、服務器、大型數據中心產生革命性影響。

PCRAM技術將非易失存儲的響應速度進一步由FLASH的微秒級提升到納秒級，已經逼近了DRAM的性能。而同時具有非易失和隨機訪問特性使得內外存的界限徹底消失，對于存儲體系來說，南北橋的架構已經失去存在的意義。這些變化意味著，從硬件體系上看，存在了數十年的內存和存儲兩大陣營即將融合，相應的，為內外存架構優化的包含內存管理和文件系統管理兩個重要功能的操作系統軟件體系也面臨著重新定義。

2.2.3存儲技術關鍵材料

（1）相變存儲器材料

相變存儲器一般指的是基于硫系化合物薄膜的隨機存儲器。相變存儲器中最為核心的是以硫系化合物為基礎的相變材料。可用于存儲數據的相變材料中至少存在兩種可明顯區分的固體相結構，通常是非晶相（無序）和結晶相（有序）兩種相態。非晶相和晶相兩種狀態微觀結構上的巨大差異導致其光學性能電學性能之間都有非常明顯的差別，于是就可以利用兩種狀態電學和光學性能上的差異來完成數據的存儲。目前，關于相變材料有兩個主要的應用方向：可擦寫光學存儲技術應用（CD，DVD，藍光光盤）和新興的相變存儲技術。

（2）磁存儲器材料

磁性隨機存儲器（MRAM）根據驅動方式不同可以分兩種，一種是磁場驅動型的MRAM（Toggle MRAM），屬于第一代MRAM；第二種是電流驅動型的MRAM（STT-MRAM），屬于第二代MRAM。MRAM的核心存儲單元主要由具有隧穿磁電阻效應的磁性隧道結（MTJ）構成。它是由兩層鐵磁層和絕緣勢壘層構成“三明治”結構，其中一層鐵磁層磁矩被釘扎不易改變方向，稱為參考層，另一層鐵磁層磁矩方向可以通過外磁場或電流較容易改變，稱為自由層，中間為電子可以隧穿通過的1納米量級厚度的絕緣勢壘層。當兩層鐵磁層的磁矩處于平行或反平行排列時，隧道結的電阻不同，這兩種不同的電阻態可以對應著信息存儲中的“1”和“0”。

（3）鐵電存儲器材料

鐵電存儲器（FeRAM）是利用一種具有自發極化的鐵電薄膜材料。該材料中的鐵電疇可以隨電場正、負極化方向而發生變化，并且在電場去除之后該極化方向仍然長時間得到保存。該正負兩種不同電疇取向可以作為邏輯單元，非易失性存儲“0”和“1”數據。由于鐵電疇反轉的矯頑電壓決定了器件的讀寫電壓，且矯頑電壓會隨著薄膜厚度的降低而幾乎呈等比例地減小，因此該器件具有數據讀寫速度快、驅動電壓低和存儲密度高等優點。除此之外，它還有抗輻射等特殊性能，可用于空間和軍事應用。在鐵電存儲器的應用中，鐵電薄膜材料應達到以下要求：①鐵電薄膜的剩余極化值較大，即存儲器的電路系統可以識別較小面積的電容中的鐵電疇的極化翻轉電流；②鐵電薄膜的介電常數較低，因為高介電常數會產生較大的線性位移電流，影響極化翻轉電流的測量；③鐵電薄膜極化翻轉的矯頑電場越低越好，因為鐵電存儲器的操作讀寫電壓需要盡量小，以減少能耗；④鐵電薄膜的疲勞特性良好，即鐵電薄膜可以在經歷多次讀寫后仍具有穩定的剩余極化值；⑤鐵電薄膜的保持特性優異，即在存儲信息寫入后能夠長時間保持。目前，用于制造鐵電存儲器的典型鐵電無機材料主要為PbZrxTi1-xO3（PZT），SrBi2Ta2O9（SBT）和（Bi，La）4Ti3O12（BLT）三種。然而與基于傳統硅工藝的閃存（Flash memory）存儲相比，現有的基于PZT、SBT等無機鐵電材料的鐵電存儲器在高密度存儲領域并未實現大規模商業化應用，原因主要在于其密度難以進一步提升。

（4）阻變存儲材料

阻變存儲器（RRAM）是利用金屬-絕緣體-金屬（MIM）結構中介質材料的可逆電致電阻轉變效應來實現存儲功能。RRAM以其單元尺寸小、器件結構簡單、速度快、功耗低、數據保持和耐久力好、微縮性好、與主流CMOS技術兼容、易于三維集成等優點，成為重要的下一代存儲技術，得到學術界的廣泛關注，同時也引起了國際大公司和研究機構的青睞。阻變材料是阻變存儲器中最關鍵的材料。很多材料都具有電阻轉變特性，包括二元金屬氧化物、三元鈣鈦礦結構氧化物、復雜氧化物、硫系化合物、有機聚合物等，而且與不同的電極材料進行組合會表現出多種不同的電阻轉變機制。但存儲性能是針對具體應用的多項指標的集合，包括數據保持時間、可擦寫次數、與CMOS的兼容性和制造成本等，因此需要采用性能、制造性和微縮性都滿足要求的材料體系。材料和結構對器件性能具有顯著地影響，如阻變材料的制備方法及缺陷分布、電極材料類型、電極/阻變層界面等都會影響器件性能。目前，二元金屬氧化物中HfOx、TaOx被認為是最有潛力的阻變材料。

（5）電荷俘獲型存儲器件用高-k氧化物介質

自1967年Sze和Kahng發明浮柵型存儲器以來，浮柵型存儲器逐步發展為非易失性存儲器市場的主力軍，幾乎所有的閃存均基于浮柵技術。高密度、低功耗、快速存儲是非易失性半導體存儲器產業發展的需求。隨著器件的不斷小型化，浮柵型非易失性存儲器逐漸接近其物理極限。隧穿層氧化物厚度的減小，使得浮柵型存儲器面臨著應力誘導泄漏電流（SILC）問題。傳統的浮柵型存儲器采用多晶硅浮柵層。由于多晶硅電荷俘獲層具有良好的導電性，一旦隧穿層中出現一個缺陷，將導致浮柵存儲層中所有電荷的損失。多晶硅-氧化硅-氮化物-氧化硅-硅襯（SONOS）型存儲器和納米晶存儲器（NCM）是兩種最受關注的替代傳統浮柵型存儲器的電荷俘獲存儲器。

SONOS型存儲器采用一層富硅氮氧化（SixOyNz）電荷俘獲層替代傳統的浮柵層。相比浮柵型存儲器，SONOS型存儲器的優點在于其優越的疲勞特性。在SONOS型存儲器中，電荷存儲在Si3N4體內分立的缺陷中，因此隧穿氧化物中的單個缺陷不會導致所有存儲電荷的流失。此外，與CMOS工藝的兼容，簡單的制作工藝和低的芯片集成費用也是SONOS型存儲器相比于浮柵型存儲器的優勢所在。盡管如此，隨著集成電路技術節點的不斷推進，SONOS型存儲器仍然存在著諸多不足。譬如，部分俘獲的電荷將被存儲在SixOyNz的淺能級缺陷態上，這些被淺能級束縛的電荷會由于熱激發等原因而發生逃逸，嚴重影響器件的保持性能、電荷存儲能力、以及擦除飽和等，使得SONOS型器件不能滿足非易失性半導體存儲器持續發展的要求。新的改良方案不斷被提出，其中重要的一環就是高-k氧化物材料的引入。

高-k氧化物用作電荷存儲層介質可以采用分立式的納米晶形式進行電荷存儲，即高-k納米晶存儲器。這些高-k納米晶主要包括具有高缺陷態密度的HfO2，CeO2，ZrO2及HfO2等二元氧化物以及TiAl2O5等偽二元氧化物納米晶。高-k納米晶一般是經高溫退火從偽二元氧化物薄膜中析出來的。偽二元氧化物是由結晶溫度不同的兩種材料組成，譬如（ZrO2）x（SiO2）1-x，（HfO2）x（Al2O3）1-x等。當退火溫度高于ZrO2或HfO2的結晶溫度，而低于SiO2或Al2O3的結晶溫度，ZrO2或HfO2納米晶就會從薄膜中析出。通過控制退火條件，可以對納米晶尺寸進行有效調控，從而調控高-k納米晶存儲器的電荷存儲能力以及其他器件性能。

高-k氧化物用作電荷存儲層介質還可以采用基于能帶調控/界面調控的疊層型電荷存儲層的形式。由不同高-k氧化物堆疊而成的納米疊層結構替代傳統的單層電荷存儲層，譬如ZrO2/Al2O3、HfO2/ Al2O3等疊層結構。疊層氧化物可以控制電荷的存儲區域，并能使電荷在一個方向隧穿容易，降低操作電壓，同時反向泄漏困難，從而解決困擾電荷俘獲存儲器的FN編程的電荷保持特性差，而CHE編程存在擦寫循環耐久性差的問題。

2.3信息材料與技術

2.3.1傳感器材料

傳感技術、計算機技術與通信技術被普遍認為是信息技術的三大支柱。在如今國家大力發展物聯網、互聯網+的背景下，5G接入、云存儲、云計算等技術的發展將為信息技術提供越來越強大的互聯接入與計算處理能力，而作為信息技術的關鍵一環，傳感技術的高低將直接影響著人類獲取外界各種物理量、化學量和生物量等自然信息的信息量和信息質量。傳感器作為物聯網絡的邊沿與“神經末梢”，亟待大力地發展。

傳感器材料是傳感器技術的重要基礎，是傳感器技術升級的重要支撐。隨著材料科學的進步，傳感器技術日臻成熟，其種類越來越多，除了早期使用的半導體材料、陶瓷材料以外，光導纖維以及超導材料的開發，為傳感器的發展提供了物質基礎。例如，以硅為基體的許多半導體材料易于微型化、集成化、多功能化、智能化，以及半導體光熱探測器有靈敏度高、精度高、非接觸性等特點。在敏感材料中，陶瓷材料、有機材料發展很快，可采用不同的配方混合原料，在精密調配化學成分的基礎上，經過高精度成型燒結，得到對某一種或某幾種氣體具有識別功能的敏感材料，用于制成新型氣體傳感器。此外，高分子有機敏感材料，是近幾年人們極為關注的具有應用潛力的新型敏感材料，可制成熱敏、光敏、氣敏、濕敏、力敏、離子敏和生物敏等傳感器。傳感器技術的不斷發展，也促進了更新型材料的開發，如納米材料等。美國NRC公司已開發出納米ZrO2氣體傳感器，控制機動車輛尾氣的排放，對凈化環境效果很好，應用前景比較廣闊。由于采用納米材料制作的傳感器，具有龐大的界面，能提供大量的氣體通道，而且導通電阻很小，有利于傳感器向微型化發展，隨著科學技術的不斷進步也將有更多的新型材料誕生。

2.3.2可見光通信

處于信息爆炸時代的人們，如果沒有網絡，就如魚兒離開了水一樣。通信已成為生活中的一個必需品，像衣食住行一樣平常。而隨著移動設備的普及，對無線通信技術的要求更是越來越高，高傳輸速率、易接入、高覆蓋率等，無線通信技術已經在人們日益迫切的需求中逐漸完善，進入發展的頂峰。未來人們的生活將逐漸趨于智能化、綠色化，對無線通信也會有更高的需求，而可見光通信（Visible Light Communication，VLC）提供了一種全新的生活方式，那就是將照明與通信相結合，同時滿足綠色環保無電磁污染的要求。

可見光通信存在已久，古時中國的烽火通信，19世紀貝爾發明的光電話，都是利用自然光作為傳輸媒介的一種可見光通信技術。可見光是指波長位于380nm和780nm之間的光，也就是頻率為400THz到790THz的電磁波，如圖2-4所示。

可見光通信技術是指利用發光二極管發出肉眼可見的高速明暗閃爍的信號來傳輸信息的無線光通信技術。英國愛丁堡大學的哈斯教授則于2011年率先提出了Li-Fi的概念，如圖2-5所示，就是VLC技術的應用之一。

可見光通信與光纖通信、激光通信等都屬于光通信。其中光纖通信為有線光通信，是當前應用最廣泛的信號傳輸方式，如當前寬帶電信系統中的光纖入戶（FTTP-Fiber To The Premise）等。激光通信與可見光通信為兩種主要的無線光通信技術。LED電光響應時間較短，可以通過燈的明和暗來實現高速調制，因而可以在照明的同時實現無線可見光通信。相比于激光通信，可見光通信可在傳輸信息的同時能提供照明，并且沒有激光對人眼的傷害，具有極大的發展空間。結合了無線通信和光通信優勢的可見光通信技術，已經在各大高校、科研單位、企業的研究部門中掀起了一番研究熱潮，成為極具發展前景的無線通信技術。

圖2-4　可見光頻譜圖

圖2-5　哈斯教授提出的Li-Fi概念

可見光通信技術采用可見光作為無線通信的載體，與目前采用微波作為無線通信載體的手機、WiFi相比，有著獨特的優勢。概括來說有以下三點：

（1）頻譜資源豐富

頻譜資源是稀缺的緊俏資源。如圖2-6所示，無線通信帶寬的需求量指數增長而用于無線通信頻譜資源的增長卻很緩慢。在中國，無線頻譜是由政府直接分配給運營商的，所以很多人對頻譜資源蘊含的巨大價值很不敏感。而在歐洲很多國家，運營商的頻譜資源是通過拍賣獲得的，3G時代，歐洲的電信運營商們在頻段拍賣會上豪擲千金，頻頻拍出讓人瞠目結舌的天價。以德國電信為例，為了獲得3G頻段10MHz帶寬，出價77億美元，相當于1MHz的信號帶寬，值24噸黃金。再如，由IEEE 802.ac協議規定的新一代WiFi，使用大致為5.1GHz到5.8GHz的電磁波承載信號，其帶寬共計不到700MHz，而且還被分成了三段。而可見光頻段頻譜資源豐富，以可見光中的藍光為例，其頻率約為700THz，按照射頻通信10%帶寬的估算方法，可見光通信的物理帶寬達到70THz，是目前WiFi可用帶寬的約10000倍，并且不受無線電管理委員會的約束，使用無需授權。因此可見光通信在未來超寬帶、超高速無線通信領域大有可為。

圖2-6　無線通信帶寬的需求量指數增長而用于無線通信頻譜資源的增長緩慢

（2）系統容量大

為了實現人員密集區域的寬帶大容量的無線通信，無線基站的發展方向是提高蜂窩小區的復用度，也就是通過增加基站數量來滿足更多用戶的需求。但是WiFi熱點與移動通信的基站不同之處在于，WiFi熱點缺少運營商的統一管理，增加WiFi熱點的數量并不能緩解大量用戶同時上網的難題。如同一間擠滿人的教室，下課了同學們同時往門口擠，各不相讓（擠出去的同學就可以上網），更多的同學堆在門口誰也出不去（擠在門口的同學就沒法上網），如果僅僅增加一兩個門，是不會消除堆積的情況的。電信運營商們為了解決這一問題，增加了一個指揮員（基站控制器），通過安排不同學號的學生依次通過來緩解這一問題。但是WiFi熱點的特點是靈活自由，相互獨立，從而無法統一管理，因此在大型的購物中心、圖書館、咖啡廳，僅僅通過增加熱點數量，無法解決大量用戶同時登陸的問題。而光的空間復用性比電的空間復用性要好，光無線小區具有天然的相互隔離性，相當于教室給每一個或者每兩三個同學安排了一個固定的門。從而通過眾多非常小的無線光通信小區實現超大量用戶同時接入。如圖2-7所示為可見光無線通信會議示范。

圖2-7　可見光無線通信會議示范

（3）保密性強

可見光通信的信號通過可見光承載，能通過肉眼觀察信號覆蓋區域。改變燈罩的位置就可以靈活控制信號覆蓋區域；拉上窗簾，就可以有效防止信息泄露，不用擔心“第三只耳朵”偷走信息，給用戶帶來前所未有的安全感。因此，可見光通信在飛機、醫院、戰場無線電靜默、保密會議等射頻敏感領域也有著不可替代的作用，如圖2-8所示。

2.3.3激光技術

激光是上世紀60年代發展出的一種新光源，具有方向性好、亮度高、單色性好等特點，隨著科技的發展，激光已經逐漸深入應用到人類生活、生產的各個領域中，激光顯示、激光加工技術、激光探測技術等應用技術成為21世紀科技研究與發展熱點。

2.3.3.1 激光顯示技術

激光顯示技術是指采用激光作為顯示光源，配合掃描技術或者投影顯示技術，實現畫面顯示的一種手段。由于具有色域空間大、色彩豐富、更真實再現自然界多姿多彩的顏色世界、光源壽命長、節能環保等優點，成為國際顯示領域的研發熱點之一。激光顯示的發展可追溯到上世紀60年代，受限于激光器發展水平，早期曾以氣體激光器作為三基色光源，但氣體激光器體積龐大，電光轉換效率低，導致激光顯示進展緩慢；到了上世紀90年代，全固態激光器的發展使激光顯示技術進入研發階段；本世紀以來，高端顯示產品的研究則進一步推動激光顯示進入快速發展階段。國內外相關研究方面，中國工程院許祖彥院士課題組于2005年成功研發出60英寸、84英寸和140英寸等一系列激光顯示原理樣機；“北京中視中科”公司于2008年突破光源小型化、電源數字化和消散斑等關鍵技術，研制的激光顯示產品成功用于激光數碼影院。2012年，美國科視公司推出72000流明的激光電影樣機，2014年推出激光數字電影放映系統。

圖2-8　可見光通信在射頻敏感領域有著不可替代的作用

2.3.3.2 激光加工技術

（1）激光切割技術

激光加工技術作為激光在工業生產中的重要應用是提高傳統加工業生產能力的有效手段，其中最為典型的便是激光切割技術。由于其具有切割精度高、速度快、柔性好、適用范圍廣、噪音低等優點，能夠有效彌補傳統切割方法刀具磨損、工件變形、可切割的材料種類少、加工效率低的缺陷。目前它的應用比例已超過整個激光加工業的70%，應用的行業包括汽車制造業、航空航天制造業、化工設備制造業、電器與電子產品制造業、石油與冶金設備制造業、生物醫藥器械制造業等；切割對象主要有割縫篩管、CVD金剛石膜、PCR生物芯片儲液池、冷軋汽車鋼板、精密齒輪、電路基板云母片、血管內支架、液晶顯示玻璃基板等；可切割的材料十分廣泛，包括各種鋼材、合金及高硬度、高熔點的非金屬材料。

（2）激光焊接技術

激光焊接作為激光加工技術中當前應用廣泛、最具發展潛力的技術之一，是一種運用激光束的輻射能量來實現高效焊接的工藝，其將激光束進行高度聚焦，在此基礎上形成高能量的激光脈沖，利用該脈沖對材料進行加工，主要適用于在材料的微小區域進行焊接。當前，國外尤其是德國對多道填絲焊、異種金屬焊和激光熱絲焊等工藝的研究已經取得突破，國內與國外在激光焊接技術與工藝上還有一定差距。

（3）激光清洗技術

激光清洗技術是利用高能激光束對工件表面進行直接或間接作用，使工件表面要去除的污物產生振動、熔化、蒸發、燃燒等一系列物理化學變化，從而使得污染物脫離工件表面，達到清潔效果的工藝過程。激光清洗技術具有以下優點：無損性、精度高、效率高、綠色清洗，上述這些優點都是傳統的清洗方法（化學清洗、機械清洗、超聲波清洗等）很難達到的。國外的激光清洗應用廣泛，從厚銹層到拋光表面微細顆粒都可以去除，涉及到機械工業、微電子工業與藝術品的保護等方面。激光清洗的設備也隨之迅速發展，設備種類多，所用激光器的波長范圍廣。德國Cleanlaser公司近年來致力于研究可以實現塑膠射出模和橡膠硫化模具、線上、高溫清洗的激光清洗設備。我國激光清洗技術的研究和設備的開發起步晚，與國外相比還存在明顯的差距。所以國內成熟的激光清洗設備并不多，大部分還處于實驗室研究階段，其清洗效率和穩定性有待進一步的提高。

2.3.3.3 激光探測技術

激光探測技術在未來的醫學、通信、前沿科學等領域中具有重要的應用。例如非接觸式生理信號激光檢測技術，星際空間激光通信，激光全息掃描等技術的發展將對人類的生活產生深遠的影響。

（1）非接觸式生理信號激光檢測技術

采用光學容積描記法（PhotoPlethysmoGraphy，PPG）檢測組織微血管中的血容量變化。血液容積脈搏波中包含有心搏功能、血液流動等諸多反映心血管系統功能的重要生理信息。PPG技術的基本形式只要求少量的光電組件：一個照亮組織的光源和一個用來測量與血液灌注相關的光強度變化信息的光電探測器。當一定波長的光束照射到皮膚表面時，由于皮膚、血液等對光的吸收或反射能力不同，且血液容積在心臟作用下呈搏動性變化，從而使得光電探測器接收到的光強度隨血液容積的改變呈脈動性變化，于是得到容積脈搏血流的變化信息。

（2）星際空間激光通信

無線激光通信（OWC），又稱自由空間激光通信（FSO）。由于現代社會信息的日益膨脹，使信息傳輸容量劇增，現行的無線微波通信出現頻帶擁擠，資源缺乏現象。開發大容量、高碼率的無線激光通信是未來空間通信發展的主要趨勢。無線激光通信也稱自由空間激光通信，它不使用光纖等導波介質，直接利用激光在大氣或外太空中進行信號傳遞，可進行語音、數據、電視、多媒體圖像的高速雙向傳送，不僅包括深空、同步軌道、低軌道、中軌道衛星間的光通信，還包括地面站的光通信。2013年，NASA利用激光束，將名畫《蒙娜麗莎的微笑》傳輸到繞月飛行的“月球勘測軌道飛行器”上，這是人類首次利用激光在星際間進行圖像數據傳輸。2001年4月，我國激光大氣通信機在廣西桂林研制成功。該通信機以半導體激光器為光源，用兩套設備構成點對點無線通信系統，可傳輸多種速率的數據和圖像，直線視距全天候通信距離達4千米，該激光大氣通信機具有體積小、組網靈活、無電磁干擾、可靠性強等特點。

（3）激光全息掃描

激光全息術是利用光的干涉和衍射原理，將物體反射的光波以干涉條紋的形式記錄下來，并在一定條件下使其再現，形成與原物體逼真的三維像。激光全息應用的主要方面有：①全息干涉計量：全息干涉能擴展到具有任意形狀的三維漫反射表面的物體，是一種無接觸的三維觀測，且不論物體表面光潔度如何，都能相對分析測量到波長數量級的水平，同時它可以對一個物體在兩個不同時刻的狀態進行對比，從而可探測物體在一段時間內發生的任何變化。②計算全息：全息圖能夠顯示的三維物體像的信息是記錄在錯綜復雜的條紋中的。假如物體并不存在，而只知道光波的數學描述，也可以利用計算機，將模擬的干涉圖樣繪制和復制在透明膠片上，這種計算機合成的全息圖稱為計算全息圖。③光全息存儲：光全息存儲不僅容量大，而且數據傳輸速率高，尋址時間短，比其它任何一種同時具有這些優點的信息存儲技術更接近實用化階段。④全息顯微術：全息顯微術主要有兩種形式，一種是將全息技術和顯微鏡結合，稱為全息顯微鏡；另一種是利用全息圖本身的特性來進行放大，稱為全息放大。⑤模壓全息：它是建立在全息技術、計算機輔助成圖技術、制版技術、表面物理、電化學，精密機械加工等多學科基礎之上的一種精細加工技術。激光全息技術的發展能夠開拓巨大的應用市場，關鍵在于技術創新，不斷拓寬激光全息技術的應用領域，促進激光全息技術和應用的進一步發展。

2.3.4柔性印刷電子材料

柔性電子技術是將有機、無機材料電子器件制作在柔性、可延性塑料或薄金屬基板上的新興電子技術，以其獨特的柔性、延展性，在信息、能源、醫療、國防等領域具有廣泛應用前景。而印刷技術作為一種能夠高效、低成本、大面積制造柔性電子器件的工藝，進一步地促進了柔性電子技術的發展，并產生了柔性印刷電子技術。柔性印刷電子技術是利用傳統印刷技術在柔性襯底上制作電子器件與系統的技術，該技術有可能帶來一場電子技術革命，已經引起了世界的廣泛關注。美國《科學》雜志將有機電子技術進展列為2000年后的世界十大科技成果之一，與人類基因組草圖、生物克隆技術等重大發現并列。由此可見，柔性印刷電子技術契合了未來的發展趨勢。而且，隨著當前可穿戴設備的興起，意味著柔性印刷電子產業化的需求更為迫切，進而昭示柔性印刷電子產業將不僅僅是停留在概念、實驗室領域，而是進入到產業化，也就意味著進入到業績釋放的產業周期。由于柔性印刷電子技術如此廣闊的產業空間，越來越多的產業資本開始加盟柔性印刷電子產業。

印刷技術作為一種柔性電子制造技術真正受到關注是得益于過去數年中無機納米材料的發展。納米尺度的無機固體材料（納米顆粒、納米線、納米管等）可以制成墨水或油墨，然后用傳統的印刷方式制成圖案。納米材料本身的性質賦予這些圖案電荷傳輸性能、介電性能或光電性能，從而形成各種半導體器件、光電與光伏器件，真正體現出印刷技術作為一種低成本柔性電子制造技術的優越性。柔性印刷電子開始成為一個獨立的學科與技術領域。

不同于硅基微電子技術，柔性印刷電子技術具有兩個硅基微電子技術所不具備的特點：①電子材料是通過印刷方法形成電子器件的；②電子器件的功能不依賴于襯底材料。由此形成的產品具有區別于硅基微電子芯片的鮮明特征，即大面積、柔性化、低成本。目前硅基集成電路制造中使用的最大襯底直徑不超過300 mm，而印刷可以輕松地達到米級尺寸；采用塑料薄膜襯底材料，使無論是印刷制造的電子信息處理與顯示系統，還是光伏轉換或發光照明系統，都可以變得柔性可彎曲，或者透明化；印刷制造的可連續性與大批量化能力，以及基礎材料與加工設備的廉價，使最后制成品的成本大大低于硅基微電子產品。柔性印刷電子技術雖然在性能上可能無法與硅基微電子技術媲美，但在成本上贏過硅基微電子技術。在大面積、柔性化等特色電子產品應用領域，柔性印刷電子技術有著硅基微電子技術無法取代的市場。

伴隨著柔性印刷電子技術的發展，各種電子產品應運而生。柔性印刷電子產品目前正處于研發起步階段，部分產品已經投放市場。從現在的研發趨勢來看，柔性印刷電子技術在以下4個方面有著廣泛的應用。

（1）薄膜太陽能電池

能源是全球高度關注的話題，能源短缺，環境污染給人類造成了極大的困惑。而柔性襯底薄膜太陽能電池是太陽能電池中的一種新品種，由于其還很難在太陽能轉換效率上與單晶硅太陽能電池競爭，所以只有通過卷對卷大批量印刷制備技術才有可能降低成本，在綠色能源市場上占有一席之地。美國Konarka公司是國際上首先進行印刷有機光伏技術開發的公司。該公司經過多年開發終于在2008年向市場推出了基于柔性塑料襯底的光伏產品。由于有機光伏產品的低效率（3%左右，硅太陽能電池可以達到15%～20%）和低壽命（1年左右，硅太陽能電池是25年），目前主要是面向低端消費產品。例如，將有機薄膜太陽能電池做在背包殼上或戶外帳篷表面，用于給筆記本電腦或手機充電。

一些無機薄膜太陽能電池也成功實現了柔性化與印刷制備。德國太陽能和氫能研究中心自2010年起開始柔性CIGS（銅銦鎵硒）電池的連續生產工藝的開發研究。該中心研究人員利用絲網鍍膜系統，成功在聚酰亞胺膜上制備柔性CIGS薄膜光伏，光電轉換效率達到10.2%，大大高于目前有機薄膜光伏的轉換效率。美國加州的Innovalight公司更是將納米硅晶體制成墨水，通過絲網印刷方式制備薄膜太陽能電池，其光電轉換效率可以達到目前硅單晶太陽能電池的水平（18%）。但制造成本大大低于硅單晶太陽能電池，并且可以實現大面積、大批量生產。可以看出，可印刷的無機光伏器件效率更高，壽命更長，比有機光伏更具有競爭力，能夠更快進入市場。

（2）柔性顯示器

柔性電子顯示器是在柔性印刷電子技術平臺上研發出來的全新產品。與傳統平板顯示器不同，這種顯示器能夠被反復的彎曲和折疊，因而給我們的生活帶來極大的便利。例如，所有可視資料，包括各種書籍、報紙、雜志和視頻文件都可以通過這種顯示器來呈現，而且可以隨時隨地觀看。盡管目前流行的MP4播放器和個人數字助理器（personal digital assistant，PDA）也能滿足這樣的使用需要，但其顯示屏不能彎曲和折疊，只能在很小的屏幕范圍內閱讀和觀看這些文字和視頻，視覺效果受到極大的制約。相比而言，柔性電子顯示器具有無可比擬的優勢，它就像報紙一樣，在需要時將其展開，使用完畢后將其卷曲甚至折疊，在保證攜帶方便的同時充分的兼顧了視覺效果。

柔性電子顯示器的樣品目前已研制成功，日本索尼公司和韓國三星公司都給出了相應的樣品展示，相信離進入市場已為時不遠。值得一提的是，柔性電子顯示器采用更多的輕質有機材料取代無機材料，所以其重量比傳統顯示器輕，這種特性有利于提高其便攜性。此外，高分子有機材料的使用為降低成本提供了可能性。另外，柔性電子顯示器具有薄厚度的特點，其厚度可以遠遠小于目前流行的液晶顯示器，所以柔性電子顯示器的另一種名稱就是紙狀電子顯示器（paper-like electronic display）。

（3）有機照明

照明是有機發光技術應用的一大領域。照明需要的是白光。將OLED顯示器件的紅、綠、藍三基色復合成白光并提高發光效率，就構成了白光照明器件。在全球大力提倡節能減排，普遍推廣固態LED照明的大趨勢下，OLED照明以其輕薄和大面積的新穎特點得到照明業界的青睞。由于OLED是面光源，厚度可以在毫米量級，可以做在柔性襯底上，發光面積可以根據需要變化，這為裝飾性照明設計提供了極大的發揮空間，可以根據建筑和室內環境特點設計出變化萬千的照明燈具。2008年國際建筑與照明展會上只有5種基于OLED的照明產品，到2010年的展會已經增加到33種，參會商也由5家增加到11家。目前OLED白光的發光效率已經逼近100 lm/W，超過普通熒光燈的發光效率。隨著OLED發光效率的進一步提高，成本進一步下降，未來OLED白光照明將不僅僅是用來做裝飾性照明，而是進入大眾化消費市場。

OLED照明的發光材料同樣可以制備成溶液，并通過印刷方式做在塑料等柔性襯底上。柔性印刷電子技術為OLED照明光源提供了新的設計自由度。美國通用電氣公司（GE）的科學家在2008年就實現了卷對卷制備發綠光的OLED薄膜。2010年GE公司與Konica Minolta公司在利用溶液化材料制造白光OLED技術方面取得突破性進展，實現55 lm/W的發光效率，為下一步全印刷制造白光OLED奠定了基礎。

（4）電子器件與電路

薄膜太陽能電池、柔性電子顯示器、有機照明雖然都可以通過印刷方法制備，但并不是嚴格意義上的柔性印刷電子，因為“電子”的特點并不明顯。嚴格意義上的柔性印刷電子是通過印刷技術在柔性襯底上制備電子器件與電路，包括印刷晶體管、印刷存儲器件、印刷電池、印刷導線、印刷天線等與電子電路有關的各種有源與無源器件，是印刷制造技術取代傳統電子制造技術，以體現柔性印刷電子的大面積、柔性化、低成本的關鍵。

由于有機半導體材料本身的局限性，溶液法或印刷制備的晶體管難以達到真空蒸發小分子材料的性能。因此，長久以來有機電子器件基本上是真空蒸發制備的，而非印刷。真正為柔性印刷電子技術的發展帶來契機的是無機納米材料墨水的發展。以射頻識別標簽（RFID）為例，在2003-2008年間有多篇論文報道了利用有機晶體管（蒸發制備）制作RFID的研究工作，但沒有一例商業化的成功案例。真正拿到商業訂單的是美國Kovio公司在2008年開發的基于納米硅墨水的噴墨打印的RFID產品。由于目前印刷的納米硅墨水需要較高的烘烤溫度，該RFID是噴墨打印在不銹鋼片襯底上的，雖然實現了柔性化，但還沒有實現塑料化。韓國順天大學則通過卷對卷凹版印刷碳納米管與納米銀油墨的方法制備出基于塑料襯底的RFID。印刷的半導體材料是碳納米管墨水，導體材料是納米銀墨水，這兩種材料的烘烤溫度在150℃以下，因此可以制備在塑料薄膜襯底上。

3　面向2049的電子信息材料

2049年，中國已列入發達國家行列，我們的科學技術躋身科技強國的前列，電子信息材料產業將得到穩步、健康的發展。其中，微納電子進入后摩爾時代，對支撐其產業發展的材料也將提出更高的要求。存儲架構發生變革，新的存儲技術、存儲材料將應運而生。同時，更加智能化、柔性化、多元化的信息材料與技術也將逐漸融入人們的生活。

3.1微納電子產業及材料的發展趨勢

自上世紀七十年代開始，微電子產業按摩爾定律發展了近半個世紀。目前，器件的特征尺寸已經接近10nm。基于硅材料的CMOS技術在速度、功耗、集成度和制造成本等多方面受到了材料的基本物理特性、制造成本乃至經濟運行規律等多方面的嚴峻挑戰。國際學術界和工業界普遍認為處在“后摩爾時代”的微納電子工業有如圖3-1所示的三大發展趨勢。

（1）延續摩爾定律（More Moore）

一方面，通過CMOS器件的特征尺寸繼續不斷縮小，以提高集成度。另一方面，通過新材料的應用和器件結構的創新來提高集成電路的性能。

（2）擴展摩爾定律（More than Moore）

通過追求系統集成的功能多樣化，即：在數字信號處理功能的基礎上集成模擬、射頻、傳感、高壓大功率甚至生物等功能，來達到電子系統的小型化。

圖3-1　后摩爾時代微納電子工業的發展方向

（3）超越CMOS （Beyond CMOS）

根據2013年ITRS（國際半導體技術藍圖）制定的發展路線圖，預計到2025年邏輯器件產業的技術代將前進至1.8nm節點，那時邏輯器件和隨機存儲器的半間距僅為10nm。硅CMOS器件幾乎將達到性能極限。在這種情況下，有必要探索新材料、新原理和結構的器件如：量子、自旋電子和分子器件等。

進入后摩爾時代，對支撐微納電子工業發展的材料也提出了更高的要求。根據上述微納電子工業的發展趨勢，重點介紹關鍵材料的發展趨勢。

3.1.1基礎材料—單晶硅

在可預見的將來甚至到2050年，單晶硅片仍將是微納電子工業的基礎材料。據2013年ITRS預測，450mm硅片將于2018年進入量產。然而，從目前的實際來看，該預測可能過于樂觀。事實上，ITRS已經幾次延后450mm硅片量產的預計時間。到2015年，包括國際排名第一的日本Shin-Etsu公司在內的國際領先硅片制造商都沒有公開宣稱已經生產450mm硅片。從歷史上來看，從200mm硅片時代向300mm硅片時代的過渡也因為若干原因（更主要的是經濟方面的原因）延后了幾年。450mm硅片的規模生產在技術上提出了更大的挑戰，主要表現為：①在晶體生長方面，由于直徑的增大帶來的更大熱應力和由于生長速率的降低所導致的更長生長時間就給單晶的無位錯生長帶來更大的困難；在空洞型缺陷和氧沉淀等缺陷的控制以及雜質分布均勻性的控制等方面也面臨更大的困難。②在硅片加工方面，特征尺寸僅為幾納米的集成電路制造所需的光刻精度對硅片的全局和局部平整度、拋光表面的納米形貌等方面提出了苛刻的要求。③在硅片清洗方面，需要去除尺寸更小的顆粒以及痕量金屬沾污，同時還需在埃尺度上控制微區粗糙度。④硅片退火時由于自重產生位錯滑移線的機會顯著增加。可見，450mm硅片的生產在技術上的難度遠遠超過300mm硅片的。另外，前者所面臨的經濟方面的挑戰也是前面幾代硅片所不能比擬的。事實上，能否盡早進入450mm硅片時代更多地取決于后續的集成電路制造能否順利實現技術換代以及能否在生產成本上比300mm硅片時代更具優勢。盡管面臨著各種各樣的困難和問題，微納電子產業終歸將進入450mm硅片時代，并將持續相當長的時間。也許，由于技術上、更多地是由于經濟上的原因，450mm硅片時代將延續至2050年。可以預計，半導體材料在信息技術上仍將扮演基礎材料的角色，450mm、300mm甚至200mm硅片在2050年前仍將起著十分重要的作用。其中，300 mm和450mm硅片在延續和擴展摩爾定律的進程中扮演重要的角色，即使進入超越CMOS時代，它們仍有可能是必不可少的襯底材料。

3.1.2邏輯電路的主體材料

由于MOS晶體管的短溝道帶來的二級效應，對傳統平面器件而言，通過不斷縮小器件的尺寸來提高性能的方法遇到了越來越大的困難，嚴重制約了集成度的進一步提升。為了提高MOS晶體管的開態電流，需采用具有高遷移率的溝道材料，如：鍺（Ge）和Ⅲ-Ⅴ族半導體。

實際上，Ge是最早被用于制造晶體管的半導體材料，至20世紀50年代中葉才被Si取代。2000年以后，晶體管的持續發展對載流子遷移率提出了更高的要求，Ge作為高遷移率溝道材料又一次得到了重視和研究。Ge的電子和空穴有效質量要小于Si，因此Ge具有較高的電子和空穴遷移率。如表3-1所示，Ge在可能的新溝道材料中具有最高的空穴遷移率，達到了Si的4倍；它的電子遷移率也達到了Si的3倍左右。利用Ge可以同時實現高遷移率溝道的nMOS與pMOS晶體管。重要的是，Si和Ge同屬于Ⅳ族材料，Ge器件工藝上基本可以與Si器件工藝兼容。近年來，硅基Ge晶體管的研究取得了很好的進展，如：p溝道的Ge FinFET、具有較高電子和空穴遷移率溝道的MOSFET、多柵極Ge晶體管等。盡管取得了長足的發展，硅基Ge晶體管的仍然有一些問題有待解決，主要包括：Ge基晶體管的界面態密度較大，約是Si的10倍左右；對于n 型Ge，很難實現低電阻的金屬半導體接觸；實際得到的Ge基晶體管中的電子遷移率遠低于理論值；Ge基晶體管的短溝道效應控制、應變技術和多柵極結構在Ge基晶體管上的應用；同時實現高性能的nMOS與pMOS，在Ge上實現CMOS電路。

表3-1　常用半導體材料的性質

以III-V族半導體為溝道材料的高電子遷移率晶體管（HEMT）問世以來，就以超高的截止頻率和最大頻率以及良好的光電特性，在通訊和光電子領域被廣泛應用。Intel公司預測基于III-V族半導體的MOS器件有可能會在11nm技術節點后的高性能射頻電路中有很好的應用前景。自1965年美國射頻公司報道了第一個GaAs MOS晶體管以來，科學家們一直致力于改善III-V族半導體與介質的界面問題。由于沒有理想的柵氧化層，III-V族溝道材料的NMOS器件一直無法實現真正應用。隨著原子層淀積（ALD）、分子束外延（MBE）等技術的不斷成熟，已經具備了在III-V族半導體材料上生長超薄高k介電材料，形成高質量的MOS界面的能力。從已報道的III-V族化合物半導體MOS器件來看，其性能明顯優于同尺寸的硅基CMOS器件。

到7nm技術節點時，對FinFET技術而言，柵極或許將喪失對溝道的控制能力。所以到7nm技術節點時，改變溝道材料是一種可能的延伸FinFET工藝的途徑。從目前的態勢來看，在7nm技術節點時III-V族材料可能會被應用于溝道。現有的硅基FinFET結構在7nm時電子遷移率會退化，而III-V族半導體材料由于有較高的低場電子遷移率，成為nMOS晶體管理想的溝道材料；Ge材料則以其較高的低場空穴遷移率，成為pMOS晶體管理想的溝道材料。高遷移率的FinFET也面臨著一些挑戰，如何集成不同的材料和器件結構是其中的關鍵問題。業內正在開發一種替換硅鰭的工藝，III-V族的FinFET將最有可能用來替代硅鰭的技術。比利時微電子研究中心（IMEC）在300mm硅晶圓上首次實現III-V族化合物半導體與硅材料整合的3D FinFET，如圖3-2所示。該晶圓級制程通過溝槽結構與外延工藝等的創新，以InGaAs與InP等材料在3D FinFET上取代硅鰭，同時還能適應8%的晶格失配。IMEC這一新制程的目標是希望能持續將CMOS晶體管特征尺寸微小至7nm及其以下，以及實現射頻CMOS器件與CMOS光電器件的混合。由此可以預見，到7nm技術節點時，將非常有可能采用III-V族半導體材料。如何獲得高的空穴遷移率、消除費米能級釘扎效應和形成高質量的歐姆接觸是III-V族半導體材料用于制備MOS晶體管面臨的主要挑戰。在硅上生長III-V族半導體材料，還面臨著如何降低位錯和反相晶疇密度的問題。

到7nm節點以下，CMOS器件的結構可能出現轉折點。考慮到靜電控制問題，很有可能在水平陣列中采用環柵納米線MOS晶體管和隧穿MOS晶體管結構，如圖3-3所示。環柵MOS晶體管結構可以避免FinFET中溝道寬度的變化而引起的遷移率損失。在環柵的硅納米線晶體管中，硅納米線溝道被柵極包圍，這使器件具有更好的靜電控制能力和亞閾值特性。當硅納米線溝道很薄時，施加足夠的柵極電壓可以使整個溝道耗盡，從而提升器件的開關比。另外，仿真結果表明：環柵MOS晶體管在等比例縮小上也很具優勢，可以縮小到與溝道直徑相同的尺度。

圖3-2　IMC在300mm硅晶圓制造的III-V FinFET晶體管

圖3-3　環柵納米線晶體管和隧穿晶體管的結構示意圖

隨著集成電路的發展，單塊芯片上集成的器件越來越多，而單個器件的尺寸也越來越小。單塊芯片上器件的增多必然導致動態功耗的增加；同時，單個器件尺寸的縮小引起漏電流的增加，進而引起單塊芯片靜態功耗的增加。為了降低芯片功耗，一方面需要減小器件的漏電流，另一方面需要降低器件的亞閾值擺幅。隧穿晶體管，由于其亞閾值擺幅小于60mv/dec、Vdd＜5V、功耗很低，且其制備工藝與現在的半導體工藝兼容，被認為可能是7nm技術節點以后可采用的器件。與傳統MOS晶體管相比，隧穿晶體管能夠獲得更陡峭的開關特性、更低的驅動電壓和更小的漏電流。但是，由于隧穿晶體管是利用隧穿效應工作的，因而其導通電流要比傳統MOS晶體管的低很多。為了解決這個問題，采用禁帶寬度更小的III-V族化合物半導體代替硅來實現隧穿晶體管，以縮小隧穿區的寬度，從而增大導通電流。

總之，環柵MOS晶體管以及隧穿MOS晶體管為7nm技術節點及之后的CMOS技術的發展提供了兩條可能的途徑。進入這一階段，硅、鍺和III-V族化合物半導體的納米線將成為MOS晶體管的溝道材料，這時將面臨如下挑戰：如何在所需的位置和方向上可控地生長納米線；生長納米線所需的催化劑不能在溝道和源漏區中引入深能級，需與CMOS工藝匹配；如何實現溝道和源漏區的摻雜；如何使硅上納米線獲得高的電子和空穴遷移率；如何形成環柵結構；如何形成歐姆接觸等等。

3.1.3硅基光電集成

幾十年來，隨著集成電路一直遵循摩爾定律發展，微處理器的工作速度不斷攀升。但是，傳統的電互連技術使得微處理器時鐘頻率的進一步提高遭遇瓶頸。在集成電路中，電子之間的強相互作用雖然使晶體管擅長開關和信號處理，但同時也帶來噪聲，并增加信號傳輸中的衰減（尤其是在高頻的情形下），從而影響信息處理能力。此外，在電互連導體表面會產生電磁場，從而導致信號的串擾、干擾及衰減，這都會增加能耗，且隨著頻率的增加而增加。因此，在電互連的框架下微處理器將越來越難以滿足高性能計算機在大規模并行處理和低能耗方面日益提高的要求。為了突破這一局面，將電子技術與光子技術結合起來勢在必行。光子之間相互作用很弱，這雖然限制了光計算方面的應用，但可以減少光通道之間的噪聲、衰減和串擾。顯然，微納電子技術和光子技術的集成將充分發揮兩者的優勢，有望增強芯片的并行處理能力并降低其能耗。

未來的高性能計算機運算速度如果要達到每秒百億億次量級，那么處理器之間的通信帶寬必須達到Tb/s量級。如此大的帶寬只能通過光互連的方式才能實現。圖3-4展示了IBM所構想的未來高性能計算機中，如何利用光互連來實現芯片內部和芯片間高速低功耗數據通信。

如圖所示，包含了多個核的處理器層、存儲層以及光網絡層將通過三維封裝的方式進行集成。對于每一個處理器核，IBM希望能在十幾平方毫米乃至更小的面積內通過波分復用的方式為其集成上帶寬為1Tb/s的光收發模塊。需要進行傳輸和交換的信號通過光發射模塊轉換到光域后，進入光網絡層進行路由。根據路由信息，光信號或者進入下一個核；或者被傳輸到芯片外部進行片間通信。每個處理器核上的光接收模塊將信號從光域轉換到電域進行處理。該光互連芯片中需要的核心光子器件包括調制器，探測器和激光器。圍繞這幾個器件，近年來展開了大量的研究，并取得了一系列的突破。

圖3-4　IBM提出的光互連芯片的架構示意圖

調制器的作用是將電信號轉化為光信號。由于晶格的中心對稱性，硅不具有電光效應，因此目前硅基高速電光調制主要是基于載流子色散效應，即通過調節硅波導中載流子的濃度來改變材料的折射率。采用較多的結構是在SOI波導中植入一個PN結，通過反向偏置PN結改變載流子耗盡區的寬度即可實現電光調制。例如：我國中科院半導體所報道了基于這種結構的馬赫-曾德爾（MZ）調制器，通過行波調制方式，調制速率高達70Gb/s。基于載流子耗盡型調制器的光發射模塊和各種高階的調制格式已經開始進入實用階段。

探測器的作用是將入射高速光信號轉化為電信號。光通信所采用的光波長范圍是在1.3μm和1.5μm附近的近紅外波段，但硅不能用于探測這兩個波段的光信號。為解決這一問題，鍺材料被引入到硅基光路之中。鍺探測器在制備技術上和CMOS 工藝完全兼容，已成為目前最為成功的硅基光電探測器。2012年報道了120GHz帶寬、0.8 A/W 響應度及4μA暗電流的波導型鍺探測器。2013年報道了帶寬高達60GHz的波導耦合型PIN結構鍺硅探測器。

硅基激光器一直是硅光子學中最有挑戰性的部分。由于硅是間接帶隙半導體，因此不能用于光源，但國內外的研究學者一直沒有放棄在硅上制備激光器的努力。從多孔硅的室溫發光、納米硅發光、稀土離子摻雜發光，再到最近幾年硅基拉曼激光器、III-V族硅混合激光器、鍺硅激光器和納米激光器等等，每一次的進步都引起極大的關注。以上眾多的硅基發光方案中，目前最為成熟的是采用混合方式集成的片上光源，即利用鍵合工藝將III-V族材料轉移到SOI基底上。III-V族材料提供增益，而硅波導則形成諧振腔提供反饋。光在III-V有源層和硅波導層間的耦合可以通過使用倏逝波耦合或絕熱錐形過渡區實現。目前報道的諧振腔結構主要有分布式反饋（DFB）、分布布拉格反射（DBR）和DBR與微環組合三種結構。這三種結構中，最有優勢的是DBR與微環組合所構成的諧振腔，它可使激光輸出功率達到mW級以上，并且結構十分靈活。一些復雜的激光器結構如：波長可調諧激光器、多波長激光器，均可通過DBR與微環組合所構成的諧振腔來實現。除了通過以鍵合方式制作的混合集成激光器以外，還有一種是將半導體放大器（SOA）與硅波導端面耦合而形成的外腔激光器，它的工藝復雜程度可以顯著降低，該類型的激光器輸出功率可以高達20mW。必須指出，即使是目前最成熟的混合集成方案，在壽命、效率、熱穩定性、與CMOS工藝的兼容性、集成度等方面還無法完全滿足光互連的需求。若能實現III-V激光器與硅光子芯片的單片集成，即在SOI上生長高質量的III-V外延層并制作激光器，必將極大地推進硅基光電集成的進程。

從目前硅基光電集成取得的進展來看，SOI材料將是很好的平臺。III-V族半導體的納米線和量子點等將在激光器方面發揮重要作用，它們如何高質量地生長在SOI材料上并在此基礎上制備高效率的激光器將是一個重要的研究領域。另外，新興的二維材料如石墨烯也在光電集成中顯示出誘人的應用前景。近年來，基于石墨烯的超快探測器（響應時間僅幾十飛秒）和可與硅集成的、在熱穩定性和光帶寬等方面均優于傳統硅調制器的石墨烯調制器都已有報道。顯然，如何在硅基上大面積且可控地生長高質量的二維材料是材料科學家們面臨的挑戰。

3.1.4超越CMOS時代的材料

隨著硅CMOS集成電路的特征線寬向亞10nm推進，MOS晶體管溝道中的電子數將達到個位數的量級，這時器件的工作將面臨穩定性差、噪聲、互連寄生電容導致低速、傳輸中界面和其它缺陷引起電子丟失等各方面的問題。另外，硅中施主附近的局域化電子的波爾半徑已接近器件的溝道寬度，這使得源/漏間隧道電流增加，這也成為傳統CMOS集成電路的主要問題。在這種情況下，探索新材料、新原理器件并實現集成是超越CMOS的必然之路，其主要研究方向為：

（1）量子器件。當器件的尺寸和電子波長可以比擬時，量子效應如：量子隧穿效應、量子干涉效應、庫侖阻塞效應等就顯示出重要性。基于這些效應，可以發展出不同類型的量子器件，如單電子晶體管、量子元胞自適應器件、量子存儲器等。事實上，1958年江崎（Esaki）就利用量子隧穿效應制備了Ge隧道二極管。1970年代后，基于化合物半導體的超晶格和多量子阱在發光二極管和半導體激光器中起著決定性的作用。因此，可以預計Ge、Si和以GaAs為代表的化合物半導體仍將在未來的量子器件中發揮重要作用，這些材料的量子點和量子線等將成為各種量子器件的基本載體。此外，以碳納米管為代表的納米材料也完全有可能在量子器件中找到實際的應用。如何實現半導體量子點、量子線和碳納米管等量子材料的完全可控生長將是材料領域的長期努力方向。顯然，基于這些量子材料的器件制備技術在復雜性和困難程度上都將前所未有。

（2）半導體自旋電子學。電子（空穴）具有電荷和自旋兩種稟性。常規的電子學器件僅僅是利用電荷稟性來控制電子（空穴）的運動而產生各種功能，而自旋電子學則是將電荷和自旋這兩種稟性綜合利用起來，實現新功能器件。在過去的近二十年中，基于金屬磁性材料的自旋電子學的標志性成果就是巨磁阻硬盤，在計算機中已經并將繼續發揮重要作用。而半導體自旋電子學尚未得到實際應用。從長遠來看，基于半導體自旋電子學有可能形成集存儲、探測、邏輯和通信等多種功能于一體的芯片。自旋相互作用的能量在毫電子伏特級，因此自旋電子學芯片的功耗可以很低。利用電子的自旋自由度作為信息的載體或量子位，有望應用于量子信息和量子計算方面。稀磁半導體材料是自旋電子學的物質基礎，而具備室溫及以上的居里溫度則是這類材料能否得到實際應用的關鍵。摻雜磁性離子的寬禁帶半導體如GaP、GaN，ZnO和TiO2等在自旋電子學中有潛在的應用。然而，這些稀磁半導體的磁性起源問題到目前為止尚未真正弄清楚，因而還沒有徹底解決稀磁半導體制備的可控性和重復性等關鍵問題。

（3）分子器件。達到僅若干納米尺度的另外一個方法就是使用分子作為電子器件。分子器件的天然優勢在于在其特征尺寸為1-10nm的電活性結構無需復雜和高成本的光刻技術來實現，其分子的形成和沉積僅需通過化學方法來完成并有可能消除制造公差。以有機半導體分子為代表的各種功能分子將在未來的分子器件中發揮重要作用。

3.2新存儲技術與新型存儲器材料

存儲技術在信息科技中發揮著不可替代的作用，是信息社會的重要基礎之一。隨著大數據時代的到來，互連網+、云存儲等戰略新興產業在改變世界的同時，對信息存儲不斷提出新的技術要求。

3.2.1類腦存儲與新存儲技術

在過去的三十年中，摩爾定律為計算機以微縮為主導的發展模式提供了強大的推動力，然近年來，由于微縮對工藝的挑戰已經越來越大，這種傳統的微縮越來越難以維繼，預計在未來20年內將抵達其各自的物理微縮極限。然而遠在此之前，為微縮所付出的昂貴的研發成本、設計成本和生產成本等代價很可能導致摩爾定律的提前終結。當摩爾定律逐漸失效的時候，如何繼續提高計算機的性能將是一個巨大的挑戰。另一方面，面向數值計算的馮·諾依曼計算機體系結構也面臨著發展瓶頸。由于處理器和存儲器是分離的，它們之間的數據交換受限于通信總線的能力。在處理大型復雜問題上，編程困難且能耗高。同時，傳統的計算機系統不具備自我學習和進化性，只能執行預定義好的算法，導致在很多情況下，結果難以令人滿意。與之相對，在視覺識別、邏輯推理和決策等領域，無論是在速度、能耗、還是準確性上，人腦仍遙遙領先當前的計算機。

以相變存儲技術為代表的新型存儲技術，其存儲機理與傳統存儲完全不同，也為類腦存儲計算實現方案提供了新的思路，具體表現在以下幾個方面：

（1）新存儲技術以納米功能材料作為存儲技術，通過材料結構變化實現信息存儲，無需電荷維持，容量的提升不會帶來顯著的功耗負擔，為類腦計算提供低能耗硬件支持。

（2）新存儲技術讀寫速度快，延時低，且支持隨機訪問，相比其它存儲介質能夠更為高效的支持并行計算和數據處理。

（3）新存儲技術基于納米材料的結構進行信息存儲，不受電荷限制和隧道效應影響，存儲單元的微縮能力強，有利于構建大容量、高復雜度的存儲網絡。

（4）新存儲技術多以電阻值為存儲狀態表征關鍵參數，通過對阻值的有效控制更容易形成多值存儲或非數字信息存儲，與大腦的記憶方式更為接近。

（5）新存儲技術提供非硅材料的存儲單元選通方法，有利于3D堆疊結構的加工和應用，因而對構建復雜存儲網絡體系具有獨特的優勢。

（6）新存儲技術對CMOS工藝的兼容性好，集成能力強，可以與計算邏輯緊密融合，對計算存儲一體、高并行度計算的支持也是其它存儲技術難以比擬的。

從這些新的特性可以看出，新存儲技術使得處理器和存儲器的融合成為可能，有望實現馮·諾依曼計算機體系結構的突破。

3.2.2嵌入式存儲技術

隨著傳感技術和通信技術的迅速發展，物聯網已逐漸從傳統的互聯網中分離出來，成為大數據時代成長最為迅速的產業之一。大量的傳感器將實時產生大量的數據，這些數據源源不斷的產生不僅給傳輸網絡造成了壓力，同時對后端數據整合處理服務器的性能也是提出了更為苛刻的要求。更重要的是，有很大比例的傳感器前端設備沒有固定的電源支持，難以維持穩定的數據采集和傳輸。后端集中式物聯網體系結構對傳輸性能的要求過于苛刻，且難以保證體系的環境交互性和互操作性，在這種需求下，前端設備需要有一定的數據存儲能力和數據處理能力。更高的系統性能要求和更低的功耗需求使得新的非易失存儲技術在該領域有了不可替代的作用，具體表現在如下幾個方面：

（1）嵌入式數據存儲

物聯網前端設備由于有苛刻的體積和功耗需求，因此常常采用集成度高，且功耗低的微控制器作為主要工作芯片，新的非易失存儲相對NAND FLASH來說跟CMOS工藝兼容好，而又有相當的存儲密度，可以方便的嵌入到微控制器中，作為較大容量的數據存儲介質，提升物聯網前端本地數據存儲能力。

（2）高性能數據隨機訪問能力支持數據本地處理

現有的計算架構中，數據必須保存在可隨機訪問的DRAM、SRAM等易失存儲介質中才能夠被處理器或控制器用來做數據處理。由于新的非易失存儲支持隨機訪問，能夠被微控制器直接尋址，因此不必將數據復制到易失存儲器中，可以直接用來當做工作內存使用，良好支持數據本地處理，提升系統的運行效率。

（3）系統極低功耗運行

易失存儲器存儲需要電源支持，消耗電能大，非易失存儲在不使用時可以直接下電，有效節省電能消耗。另外，由于新的非易失存儲技術支持代碼原位執行，和數據高速隨機訪問，無需擦除，因此很容易實現即時休眠和喚醒，大幅度降低微控制器的運行時間，可以有效降低系統整體的功耗。

（4）本地存儲減輕傳輸壓力

由于傳感器前端本地擁有存儲和數據處理的能力，因此，數據不必實時回傳至后端，顯著降低了傳輸的帶寬和穩定性要求。本地存儲與本地數據處理能力的結合，使得傳感器前端更為“智能化”，能夠接受其它前端或設備的指令并作出反饋和響應，數據傳輸多只涉及命令和結果的傳輸，在提高系統靈活性的同時，也減輕了傳輸的壓力。

由此可以看出，嵌入式新存儲技術也在物聯網的實施過程中起著十分重要的作用，二者相互支撐將加速這兩種新技術的實用化和普及應用。

3.2.3新型存儲器材料

FLASH存儲技術從概念提出至今已逾40年，如今它正面臨著達到物理極限的挑戰，難以勝任更低功耗、更高密度和更快速度的信息存儲。在此情況下，若干新原理存儲器應運而生，阻性存儲器、相變存儲器、STTMRAM（自旋轉移矩磁隨機存儲器）是典型代表。其中，基于電子自旋的STTMRAM作為新一代的MRAM，將是取代DRAM和SRAM的主要內存技術；2015年1月的市場分析認為，一旦其成本降低，STTMRAM最早將于2018年開始逐步替代DRAM。而基于雙穩態電阻轉換的阻性存儲器（RRAM）作為集動態/靜態隨機存儲器和浮柵存儲器功能為一體的通用存儲器，是NAND技術后的下一代非易失性存儲（NVM）技術；據2015年市場報告預計，1Tb的RRAM產品有望在2018年問世，一旦如此，RRAM技術將于2020年前全面進入海量存儲器市場。目前，業界普遍認為RRAM是非易失性存儲器下一輪競賽中的領先者。

（1）氧化還原型阻性存儲器及其材料

該類存儲器包括兩類，即：基于金屬陽離子行為的EMB或CBRAM（電化學金屬化橋存儲器，有的也稱之為可編程金屬化單元PMC）和基于氧陰離子的VCM（valence change memory，價態改變型存儲器）。

圖3-5　Micron發布的27nm技術的16 Gb Cu CBRAM

EMB阻性存儲器通常采用活性電極-離子導體-惰性電極系統，電化學活性材料如Ag或Cu可制成活性電極，惰性電極采用W或Pt等，離子導體可以是固體電解質薄膜（如：銀硫系化合物Ag2S和 Cu2S等），也可以是氧化物（如ZrO2）。其中的導電細絲或金屬化橋的形成依賴于活性金屬的電化學反應。這類RAM技術可滿足固態硬盤，嵌入式非易失性存儲器等多樣市場需求。2012年，已經有基于EMB的串行非易失性存儲器商業產品問世。2015年2月，Micron發布了采用27 nm技術制造的 16 Gb的Cu CBRAM芯片（見圖3-5）。

此外，EMB RRAM備受關注的是其電化學反應調控的可重構開關，它不僅可以作為突觸元件應用于人工神經網絡技術（見圖3-6），而且與其它系統的集成能夠提供更為豐富的功能。例如：2014年報道了一種集成了阻性存儲器的超級電容器系統，其放電過程的穩定性獲得大幅提升。

依賴于氧陰離子（或氧空位）的VCM阻性存儲器根據阻態轉變行為又分為金屬氧化物雙極型（MO-BF）RRAM和金屬氧化物單極型（MO-UF）RRAM兩類。前者一般采用雙層氧化物結構，其中至少一層是非化學計量比的氧化物薄膜，例如可商業化的Ta2O5-x/tao2-x結構。2012年，松下展示了一個8 Mb的taoxRRAM，它具有 8.2 ns的寫入脈沖速度和443 Mb/s的速率。2013年初，東芝公司發布了與24nm CMOS相集成的32Gb RRAM存儲器。同年7月，松下推出了第一款替代EEPROM的商用8位微控制器，它采用了集成taoxRRAM的0.18微米CMOS處理器。另一類MO-UF RRAM也被稱作為熱化學存儲器（TCM），采用的介質材料為niox、hfox等，電極一般選用tin、Pt和W等。與前述存儲結構不同，MO-UF器件不依賴結構上的不對稱性來實現阻性存儲，而且其寫/擦電壓極性相同，因此在制備小尺寸存儲陣列方面具有優勢，此外，其單一電壓極性的編程方式也大大簡化了電路。

圖3-6　基于Ag2S憶阻器的類突觸記憶強化功能

（2）鐵電隧道結（FTJ）存儲器及其材料

常見的鐵電隧道結采用金屬/超薄鐵電薄膜/金屬這樣的三明治結構，幾納米厚的鐵電層作為電子隧穿勢壘，其自發極化翻轉使得勢壘高度發生明顯變化，從而在隧道結中獲得高、低兩個電阻態。鐵電極化的快速翻轉能力使得鐵電隧道結阻性存儲器在快速度、低功耗等方面有得天獨厚的優勢，比如：其讀電壓通常僅為100 mv，寫操作的能量可以降低到10 fj/bit。FTJ因受限于低的隧穿電阻開關比一度遭遇技術瓶頸，后來通過巧妙設計鐵電異質結構跨越了這一障礙，2013年報道了一種新結構的batio3FTJ存儲器，將其中一端的金屬電極用鐵電半導體替代，從而實現鐵電自發極化翻轉對勢壘高度和寬度的同時調控，獲得異常增強的隧道結電阻開關比。而且，此類鐵電異質結構的阻態取決于鐵電疇結構，通過微結構調控能夠實現可控的準連續阻態變化，這是實現人工認知的關鍵環節。采用FTJ可以執行“類腦”的編碼、訓練、識別等功能。

（3）Mott存儲器及其材料

利用Mott絕緣體材料在外界刺激（光、熱、電）下發生金屬態-絕緣態轉變從而實現雙穩態存儲。VO2和nbo2是其中的代表性材料，這些材料不但具有刺激依賴的電阻調控能力，而且能夠獲得刺激依賴的電容調控，因此可以執行多環節、跨領域的復雜任務。2009年Science報道的諧振頻率即時可調的諧振器，正是利用了VO2Mott憶容器對電容的調控特性。2014年美國UC Berkley報道了一種集成了Mott存儲器的可扭轉的人工微肌肉系統，該系統利用了VO2憶阻器對電阻的即時調控特性，對扭矩和轉速進行實時控制（見圖3-7）。這種人工微肌肉系統使具有反饋、響應和自適應等能力的未來智能機器人成為可能。

圖3-7　集成了VO2Mott憶阻器的可扭轉的人工微肌肉系統

（4）聚合物阻性存儲器

該類存儲器充分發揮了聚合物材料可彎曲與可延展性以及易于圖案化加工的特點，能夠與電子皮膚系統無縫對接，在可穿戴設備領域有得天獨厚的優勢，使可穿戴通訊、處理與存儲技術成為現實。此外，柔性阻性存儲器在醫療診斷領域也嶄露頭角。2014年Nature Nanotechnology報道了阻變存儲器件與藥物緩釋器件集成的電子皮膚系統（如圖3-8所示）。

該系統利用傳感元件實時監控患者的生理體征，通過阻性存儲元件對數據進行保存、對比并反饋至藥物釋放驅動元件，使可穿戴的診療及保健系統不再只是科幻作品中的想象。

圖3-8　阻變存儲器件與藥物緩釋器件集成的電子皮膚系統

3.3信息材料的發展方向

3.3.1多功能及智能化的傳感器材料

多功能及智能化傳感材料涉及多種學科的技術融合。例如在同一芯片上，或將眾多同一類型的傳感材料做成單個傳感器件并集成為一維線型、二維陣列（面）型傳感器，因而具備單一器件所不具備的功能，例如時序檢測；或者將不同敏感機理的材料通過適當的復合工藝，使之成為一種對不同參數敏感的材料。

智能化傳感材料可以與微處理器進行片上集成，不但能夠執行信息采集、信息處理和信息存儲，而且還能夠進行邏輯思考和結論判斷的傳感器系統。如分布式實時探測、網絡探測和多信號探測材料。由智能傳感材料構成的傳感系統不僅可包括傳感器、變送器，還可包括執行器。與傳統的傳感器相比，智能化傳感器不但能夠對信息進行處理、分析和調節，能夠對所測的數值及其誤差進行補償，而且還能夠進行邏輯思考和結論判斷，能夠借助于一覽表對非線性信號進行線性化處理，借助于軟件濾波器濾波數字信號。

其次，隨著信息技術的不斷發展，信息量激增，要求捕獲和處理信息種類、精度不斷增加，對于傳感器性能指標的要求也越來越高；隨著智能穿戴設備的發展、物聯網技術的進步，傳統的大體積弱功能傳感器很難滿足上述要求，因此，傳感材料也向高靈敏度、微小型化發展。例如高靈敏的半導體敏感材料，具有體積小、重量輕、反應快、靈敏度高、可高度片上集成以及成本低等優點。

就目前的技術發展預測，微型傳感器已經不僅僅用于軍工、航天等傳統高技術領域，而且在大眾日常生活中產生巨大應用，如醫療、通信、健康、家居等方面，如圖3-9所示。目前開發并進入實用階段的微型傳感器已可以用來測量各種物理量、化學量和生物量，如位移、速度、加速度、壓力、應力、應變、聲、光、電、磁、熱、PH值、離子濃度及生物分子濃度等。

圖3-9　微型傳感器的應用

3.3.2可見光通信在未來發展中的關鍵技術

3.3.2.1 發射、接收帶寬拓展技術及其集成

通信產品林林總總，描述通信協議的文字更是千言萬語說不清，不過萬變不離其中，通信離不開發射和接收。可見光通信系統發送模塊由調制電路、LED驅動電路、LED光源組成。接收模塊包括光學透鏡、光電探測放大電路和解調電路組成。

根據照明的需要，目前大部分用于照明的LED燈都采用了藍光管芯激發黃色YAG熒光粉的發光方案。受到熒光粉余輝遲滯效應的影響，如果在數據發送端和接收端不加任何處理，直接用該系統作為收發鏈路，則通信速率一般不會大于5Mbps。這個通信速度顯然和可見光通信的優點——寬帶高速極為不相稱。為了突破這一速率瓶頸，在發送端，需要對發送信息進行“預加重”，即讓傳遞信息頻域部分，低頻的幅度相對小，高頻的幅度相對大，彌補熒光型LED難以發送高頻信息的不足；同時在接收端，采用“前均衡”，即在放大電路中，讓高頻部分增益更高，低頻的增益相對低，從而進一步拓展收發鏈路的帶寬。如圖3-10為可見光通信的物理層收發鏈路圖。

要讓這一系統進入千家萬戶，成為大眾生活的一部分，小型化是不可或缺的。可見光通信是光路和電路的混合系統，在發送端，涉及到信號預加重處理和LED的功率驅動；在接收端，涉及到透鏡聚焦和光電轉換及信號處理。如何把這一系統集成在手機、汽車大燈里，也是亟待解決的問題。

圖3-10　可見光通信的物理層收發鏈路

3.3.2.2 編碼與調制

1824年，英國的彼德馬克羅格特在《移動物體的視覺暫留現象》中發表了他的“視覺暫留理論”。人眼在觀察景物時，光信號傳入大腦神經，而當光的作用結束后，視覺形象卻并不立即消失，會保持一段時間，這種殘留的視覺稱“后像”，而視覺的這一現象稱為“視覺暫留”。光作用在視網膜上，人的視神經有一段反應時間，因此，當物體快速運動時，即使影像消失，人眼依然能保留其影像0.1～0.4秒左右的時間。中國的走馬燈便是視覺暫留現象的運用。日常生活中也有許多視覺暫留的現象，如小孩玩的激光筆，當你用激光筆在空中快速劃動，正對著你的人能看到你在空中作的“畫”，劃動的速度越快，看到的畫就越完整。而視覺暫留最典型的應用是動畫和電影。電影和動畫原本都是一幅幅單獨的畫面，當多幅畫面連續快速放映時，由于上一幅畫面在人眼視網膜上的影像能持續一段時間，因此下一幅畫面出現時能剛好與上一幅畫面銜接上，就形成了連續的動作。

可見光通信之所以能夠將照明和通信相結合，也要歸功于這種視覺暫留現象。LED具有快速通斷的特性，能夠被高速調制，當利用光強來進行信號調制時，即使燈光在閃爍——以便傳輸調制信號，由于人眼的視覺暫留效應，當燈光處于滅的狀態時，只要上一刻的光在視網膜上的影像還未消退，就無法察覺，從而形成燈光亮度“穩定”的錯覺。像動畫和電影的制作一樣，LED燈的“穩定照明”也是需要滿足一定條件的。LED燈具在發送信息時，需要保持“明”（代表二進制的“1”），暗（代表二進制的“0”）的相對穩定，不出現過長的“明”或“暗”，保證照度穩定，人眼也會感覺更為舒適。

在通信系統中，信道所能提供的帶寬通常比傳送一路信號所需的帶寬要寬得多。如果一個信道只傳送一路信號是非常浪費的，為了能夠充分利用信道的帶寬，就可以采用頻分復用的方法。特別是要實現類似于基站或者WiFi熱點等一對多的應用，復用技術必不可少。此外，在寬帶無線通信系統中，影響高速信息傳輸的最主要一類干擾是頻率選擇性干擾。它表現為對信號的某些頻率成分衰減嚴重，而對另外一些頻率成分有較高的增益。為克服這類衰落，一個很自然的想法是在信道上劃分多個子信道，使每一個子信道的頻率特性都近似于平坦，使用這些獨立的子信道傳輸信號并在接收機中予以合并，以實現信號的頻率分集，這就是多載波調制的基本思想。

正交頻分復用（OFDM）系統就是這樣一種多載波傳輸方案，它可以被看作是一種調制技術，也可以被當作一種復用技術。多載波傳輸把數據流分解成若干個子比特流，這樣每個子數據流將具有低得多的比特速率，用這樣的低比特率形成的低速率多狀態符號再去調制相應的子載波，就構成多個低速率符號并行發送的傳輸系統。將OFDM技術應用到可見光通信系統中，可以很明顯的提高可見光通信系統的數據傳輸速率，對抗可見光通信對于遮擋和干擾敏感等缺點。

3.3.2.3 應用軟件

將可見光通信系統與物聯網、智能家居、智慧城市結合，離不開終端應用軟件。以可見光室內定位為例，移動終端需要把重力感應器給出人臉朝向、手機陀螺儀給出加速度方向以及手機攝像頭抓拍的場景，綜合考慮，通過優化導航算法，實現智能導航。室內LED定位導航系統需要在iOS或Android平臺上進行開發，還要對手機攝像頭參數進行設置，以便在iOS或Android平臺正確解碼，并且使用圖像處理進行精確定位，結合手機慣性導航技術，與燈光定位導航進行補償定位。可靠易用的終端軟件，是可見光通信培養用戶習慣、進入大眾日常生活不可或缺的一環。

3.3.3激光技術的多元化、廣泛化應用

3.3.3.1 顯示方面

在激光顯示方向中，小體積、高亮度激光光源是激光顯示研究的核心，未來在小體積、高功率、高亮度半導體激光源技術上的突破，將推動激光顯示的快速發展。超大屏幕激光顯示技術代表著顯示技術未來發展的趨勢和主流方向，是未來激光顯示領域競爭的焦點。

3.3.3.2 材料加工方面

激光應用于材料加工方向之激光切割技術在未來發展趨勢主要包括：①高速、高精度激光切割，實現真正意義上的飛行切割技術；②厚板切割和大尺寸工件切割的大型激光切割：隨著可用于激光切割的激光器功率的增大，激光切割正從輕工業薄板的鈑金加工向著重工業厚板切割方向發展；③三維立體多軸數控激光切割機，正向高效率、高精度、多功能和高適應性方向發展，其應用范圍將會愈來愈大。

激光焊接以其獨特的優勢將在高精細焊接領域獨占鰲頭，解決目前無法解決的特殊材料及不同材料間的連接問題，重新定義結構設計理念，在裝備制造中，徹底打破材料件的選擇局限性，如我們可以將金屬與非金屬實現材料間的連接，有機材料與無機材料間的連接，徹底打破人們的傳統思維理念。

未來的激光清洗從研究應用領域上仍會朝著以下三個主要方面發展：①更精密清洗，清除精細基底表面微米、納米級，甚至更小尺寸的污染物，使其達到很高的潔凈度，例如，清洗電子線路板、半導體元件、硅片等；②清洗大型物體，例如清洗大型雕塑、建筑物、文物等；③用于在線清洗，例如飛機脫漆、清洗汽車輪胎模具等。

3.3.3.3 激光探測方面

激光探測技術中，PPG技術可應用于多種商用醫療設備，如脈搏血氧儀、血管診斷和beat-to-beat數字血壓測量系統。低成本、操作簡便，無創性，性能穩定、安全無交叉感染等許多優點，將使其不僅在醫院的臨床檢測、監護中得到廣泛應用，而且也可用于社區和家庭的醫療保健。由于該技術還可配備網絡設備，使其具有聯網擴展功能，從而可以用來組建家庭社區和醫院的醫療網絡，這將會在未來物聯網中的智能醫療的發展中占據著重要地位。另外，它還可應用于航天員的生理參數檢測，在這些方面將都會有很好的應用前景。

另外，隨著激光全息技術本身的進步和與計算機、數碼攝像機、CCD器件、新型液晶顯示屏、空間光調制器、因特網和自動化控制技術的不斷綜合運用，激光全息技術的發展能夠開拓出更多的應用領域和更加巨大的應用市場，人們設想的全息電影、全息攝像機、全息放映機等等，也許將來會不斷變成現實。

3.4柔性印刷電子材料快速發展

新世紀以來，尤其是新世紀的第二個十年以來，柔性電子技術蓬勃發展，而由此發展起來的柔性電子設備，亦是方興未艾。智能可穿戴設備便是重要的應用。柔性電子設備已在新型能源設備，疾病預防與治療，智能手機，大尺寸顯示屏幕，航空航天等領域嶄露頭角。柔性可攜帶儲能電池，柔性超級電容器已有初步的產品；生物可兼容的柔性傳感器，在心臟疾病監測，脈搏感應，腦電波探測等發揮了初步作用；風靡一時的小米手環，由于其物美價廉，可以說是走入國人生活的第一款可穿戴設備，主要功能包括查看運動量，監測睡眠質量，智能鬧鐘喚醒等，還可以通過云端識別更多的運動項目；早前美國谷歌公司推出的谷歌眼鏡，蘋果公司的智能手表等也在市場上引起了不小的反響；有機發光二極管，也在顯示發光領域得到了初步的應用；在航天領域，柔性電子設備由于形狀可控、節省空間也已得到了一些應用。

伴隨柔性印刷電子技術的發展，未來也將會有越來越多傳統電子設備實現柔性化、智能化、可穿戴化、人體可適用性等等，走入人類社會的方方面面，從而改變人類的生活方式。具體表現在如下幾個方面：

（1）柔性材料類別、性能得到進一步開發，柔性顯示技術得到廣泛發展

目前在印刷電子領域，常用的柔性材料通常為有機材料，包括PI（聚酰亞胺），PET（聚對苯二甲酸乙二醇酯），PEN（聚乙烯奈），PEI（聚醚酰亞胺），透明導電聚酯等等。2049年，現有有機材料的性能，將會得到極大的提高。例如目前有機半導體遷移率最大值1cm2V-1s-1，到時我們可開發出媲美單晶硅遷移率103cm2V-1s-1的有機半導體。當前的研究熱點柔性材料，石墨烯，硫化鉬等二維材料，碳納米管，納米線等一維材料將走向成熟。而且新型的無機柔性材料也將會進入我們的應用領域。

得益于有機發光二級管等材料技術的發展，未來30年，柔性顯示技術必將得到深入而廣泛的發展，也將會不僅僅限于有機材料，呈現多元化，智能化的特點。柔性顯示屏幕將走入市場，甚至成為顯示屏幕的主流產品。比如制作大尺寸的柔性顯示屏幕，日常柔性電子產品的顯示屏等。

（2）印刷電路的性能得到極大提高

印刷電路是實現柔性電子技術走向應用的關鍵。相比于極其復雜，動輒成本上億美元的硅基集成電路制造產業，印刷電路是一種低成本印刷制造電路的方法。而限制印刷電路性能的是它的有機印刷材料，其電學性能往往很難達到制作電路或者元器件的要求。新型無機納米材料，高性能碳納米管，高性能石墨烯等應用為印刷材料，是解決這一問題的重要途徑。到2049年，隨著新材料的研發使用，我們有理由相信，2049年印刷電路的性能，將能滿足制作復雜電路的要求。

（3）新型能源設備將會出現

2049年，隨著柔性印刷電子技術的發展，將會出現許多使用效率高，空間占有率高，便攜式的新型能源設備。比如我們可以將柔性的太陽能電池，制作成大樹的形狀，從而來提高采光效率；可以將柔性電池，柔性電容器等制作在衣服上；可以用人類走路，心臟跳動等機械運動來發電。同時，在航空領域也有著重要的應用，衛星在升空階段可以將柔性太陽能電池卷曲，到達指定軌道后，再將電池展開。這種柔性太陽能電池比現階段的硅基太陽能電池板，更省空間，能制作更大表面積的太陽能電池。鋰電池，電容器的柔性化，可便于我們攜帶，甚至可以將我們衣服的某一部分制作為電池，從而方便使用。

（4）可穿戴智能設備成為人們生活的一部分

前文提到目前市場上頗具影響力的小米手環，谷歌眼鏡等，到2049年，隨著柔性印刷電子技術發展成熟，將會有更多，更成熟，人體適用性更好的智能可穿戴設備走入人類生活的方方面面。例如有了柔性化便攜化的電腦，人們像攜帶現在紙張一樣的對待電腦，這樣就可以隨時隨辦公，擺脫辦公室的束縛；柔性化的手機，我們可以卷起來放在兜里，甚至直接貼在衣服上；我們還可以利用太陽能，制作柔性可穿戴的發電機，將自身運動產生的機械能，轉化為電能；其他一些常用電子設備也可實現柔性化，例如壓力傳感器，氣敏傳感器，光電探測器等等。新型的柔性便攜電子產品，將改變人們的日常生活。

（5）電子產業的顛覆性革命

到2049年，得益于柔性印刷電子技術的發展，眾多的電子產品均可實現柔性化，可穿戴化，這就改變了他們的傳統形態。而這些電子產品的更新換代，將會引發電子產業的顛覆性革命，產生巨大的市場前景。從而引發新型的產業形式，促進就業，有利于國民經濟的發展。可以毫不夸張的說，這將會是第五次信息技術革命的重要組成部分。

4　未來的電子信息材料與人類生活

隨著科學技術的持續快速發展以及人類生活水平的不斷提高，實現人與信息的有效融合從而加速社會信息化是未來科技的一大發展趨勢。集成電路將不斷向縱深發展；視聽產品進一步向數字化、網絡化發展；通信技術仍將繼續向寬帶化、無線化、IP化、融合化發展，通信與網絡融合的趨勢進一步明顯；計算機正面臨體系結構的變遷，持續向高性能、網絡化和智能化的方向演進；顯示器件大屏幕、高清晰、平板化、低輻射、低能耗及輕薄化已成趨勢；更加新型的、智能的、便攜式的、高速的、環保節能的、可穿戴的或可植入人體的電子產品不斷涌現，電子信息技術應用領域也將不斷擴展。同時，各種新材料在眾多新一代整機需求的驅動下將蓬勃發展。可以說，未來電子信息科技將使人類生活發生翻天覆地的變化。

4.1電子信息材料與技術改變人類生活

（1） 高性能計算機與類腦存儲

微納電子技術在后摩爾時代的不斷發展將可能使未來的芯片匯集計算、存儲、通信和信息處理等多種功能，推動計算技術發生革命性的變化。高性能計算機（超級服務器）的性能在未來近40年中將再增長1～10億倍，預計2020年運算速度將達到每秒1018次，2040年可能達到1021次，2050年達到1024次。高端客戶機的速度將在2020年達到1012次，2040年達到1014次，2050年達到1017次。計算機性能在數量級上的不斷提升對人類社會的正面影響是不言而喻的，大到制定國民經濟的發展規劃、小到個人所得到的各種服務信息如天氣預報等，在合理性和精確度上都將得到極大的改善。

在大數據技術迅猛發展的今天，“馮·諾依曼瓶頸”對數據傳輸效率的限制日益凸顯。而借鑒大腦處理信息原理的“類腦”技術，則可跳出馮·諾依曼框架，實現運算處理與存儲相融合。“類腦”芯片一旦實現，它的功率可能只有幾十瓦，卻能擁有媲美超級計算機的運算速度。2014年IBM研制的尖峰神經元電路可謂邁出了重要一步（如圖4-1所示），它能夠每秒處理30幀400×240像素的影像，而芯片僅需63毫瓦的功耗。“類腦”技術還使具有仿生“感知-編碼-處理-反饋-反應”能力的智能傳感系統成為現實。高精度的壓力傳感器、光傳感器等技術滿足了電子皮膚、人造視網膜等系統對感受器功能的要求，與“類腦”人工神經網絡相集成，將會使這些感知系統具有反饋、自適應、自主學習等高級功能。

圖4-1　IBM研制的TrueNorth架構的尖峰神經元電路

（2）智能芯片與人體健康

隨著生物相容性傳感器和柔性材料技術的發展，電子芯片植入人類身體不再只是停留于電影幻想中，人類的感官修復也不再是夢想。可以感受溫度、壓力、風速、紫外線的智能皮膚，不僅可以用于修復受損部位，在正常人體的某些部位植入（例如手腕），可以代替目前使用的智能手環，皮膚的溫度靈敏度可以精確到0.01度，體溫計只屬于博物館。人工視網膜不僅可以看到可見光波段，也能像紅外攝像機一樣具有也是功能。而探測波段則可根據客戶的要求定制。配合高靈敏度的人工耳蝸材料，“順風耳、千里眼”不再是神話。這些想法聽起來有些瘋狂，但不可否認的是，不遠的將來，如圖4-2，植入芯片會像打防疫針一樣變得稀松平常。

圖4-2　植入我們身體中的芯片

另外，隨著醫療水平的提高，植入柔性的醫療電子器件與相應組織器官將具有更高的結合度，使其更貼近、更適合柔性組織器官的結構。從植入式心臟起搏器、植入式心房除顫器，到用于帕金森病、癲癇、老年癡呆等神經系統疾病治療的植入式腦起搏器及電極等，這將為治療心腦系統疾病及人類健康做出重要貢獻。

（3）便捷的電子服裝

未來的人類只需一套服裝，這套服裝的顏色、形狀、尺寸可以按照需求自由變換。電子服裝還能檢測外界的溫度、濕度等環境參數來智能調節衣服的不同功能來維持人體處于最佳狀態。另外，自清潔功能和高壽命也是電子衣的一大亮點。電子服裝還能夠監控人們的健康狀況，制造衣服所需的纖維都是導電體，這種服裝還可以作為孕婦裝，用來時時檢測胎兒的心跳和胎動；老年人還可以利用這種服裝隨時隨地監測血壓和脈搏等。

（4）隨處可見的柔性顯示系統

未來的柔性顯示材料具有可彎曲、超輕薄、低功耗、高耐用以及便攜性等優勢，滿足可穿戴設備對于屏幕顯示的需求。就像圖4-3中的柔性顯示屏和觸摸屏的規模化生產，使得薄如蟬翼的顯示屏可以任意方向和弧度進行彎曲，甚至卷起來或者折疊，同時還兼備優質的顯示效果。未來的眼鏡、配飾、智能手表、健康監視腕帶等可穿戴設備將成為繼電視、電腦、手機之后的第四平臺，成為信息娛樂與社交分享、醫療及軍用等領域的主流。這些可穿戴設備不僅自身具備計算和存儲功能，還可連接手機等各類終端成為便攜式的配件。

圖4-3　柔性屏幕手機

（5）車聯網與人工智能汽車

智能汽車與無人駕駛應用的場景非常復雜，為保證無人駕駛的安全，對行車環境中目標距離與速度探測的維度與廣度要求更高，需要激光傳感技術猶如“雷達”一般進行360度無死角的監測。但是激光光束的方向性非常好，只能實現某一直線路徑上的測量，所以未來的無人駕駛汽車的激光測距測速裝置應該是全息的，并能快速靈活轉動的，從而快速實時地掃描行車環境中一定范圍內各種目標的距離與速度。全息激光能夠幫助無人駕駛汽車快速構建一張局域的行車環境的拓撲，并實時更新，通過自身控制反饋系統以及云端的計算決策系統實現汽車的智能駕駛與應急反應。同時相鄰汽車的行車環境拓撲與駕駛策略是可以相互交換的，從而減少了單一汽車需要測量的數據量，并能為智能汽車構建一張更為復雜的行車環境拓撲（如圖4-4），更多的數據量將幫助無人駕駛汽車不僅僅具有對于突發狀況的應急響應能力，更加能夠預判危險的發生從而提早避免。

另外，把可見光通信技術和智能交通系統結合，形成智能交通信號燈、智能制動信號燈、智能日間行車燈和智能照明大燈，輔助車輛駕駛，讓前車和后車能相互“通話”，也是未來車聯網一個值得期待的發展方向，交通狀況、路面信息、車輛定位、是否會發生碰撞等這些信息，可以通過LED燈光閃爍在車輛間傳遞，甚至可應用在自動駕駛系統當中。

圖4-4　人工智能汽車系統

（6）“拍一拍”室內定位

相信很多人都有在大型地下車場焦急的找車經歷。有了可見光室內定位，每一個停車場的照明燈，就相當于一個廣播電臺，不停的廣播自己的位置信息：“我在車場的東南角”、“我在本層南區中央”。車主停車后，打開手機APP，用手機攝像頭拍一下附近的照明燈，就記錄下了停車位置信息；逛完商場后，進入車場，打開手機APP，就近拍一下照明燈，于是手機軟件給出了去往停車位置的最近路線。同樣這項技術也可用于大型購物中心的商鋪導航，只要打開APP，就近拍一下商場的景觀燈，于是室內導航軟件帶顧客去想去的商鋪。如圖4-5，可見光通信，幫助每個人擁有超人的方向感。

圖4-5　可見光通信與室內定位

（7）LiFi—人口密集區、射頻敏感區高速保密通信

可見光通信是一種“看得見”的無線通信方式，如圖4-6所示，相比于傳統的射頻通信，可見光通信具有自己獨特的優勢：速度更高、容量更大、使用更安全。基于可見光的點對點通信速率2014年已經達到500Mbps實時傳輸和5.6Gbps的非實時傳輸；可見光通信系統的小區密度大，故系統總容量很大；傳輸信息的LED光為可見光，用戶可通過自己的眼睛判斷透鏡和燈罩是否已經按照自己的需要限制了通信燈光的覆蓋范圍，確保信號不外泄。此外，因為可見光通信無電磁干擾，可應用于醫療、航空、礦井等特殊領域，在電磁敏感區域及電磁屏蔽區域均可以應用。可見光對人體無電磁傷害，是一種綠色環保的通信方式。傳統的無線通信在人多時容易造成“網絡塞車”，而對于可見光通信來說，只有站在同一盞燈下的人才會共用帶寬，只要有多盞LED燈存在，上網將不再“擁擠”。

圖4-6　可見光通信與傳統無線通信應用方式對比

（8）多樣的無線通信

海洋是當今時代各國資源開發，科技發展，領土維權的戰略高地。海底觀測網絡，是海洋調查、海洋勘探的重要技術手段。而作為其技術支撐的水下聲、光傳感器和潛航器在快速發展的同時，對信號傳遞帶寬的要求也越來越高。而海水對于目前常用的無線通訊載體——射頻電磁波，有著強烈的衰減作用，目前水下無線通信主要依靠聲波和超長波，但是這兩種載體均存在帶寬受限的問題。因此水下可見光通信技術有著巨大的比較優勢。特別是海水對藍綠光（400 - 580nm）的吸收和散射最小，形成通信窗口區。如圖4-7為水下可見光無線通訊收發模塊和演示裝置。

圖4-7　水下可見光無線通訊收發模塊和演示裝置

水下可見光通信具有探測精度高、方向性好，易于保密等特點。當被應用到海底傳感器網絡時，水下可見光通信能夠滿足大量監測數據傳輸的要求，通過先進的調制與編碼技術，它的傳輸速率可達Gbps級別，使得視頻、圖片和音頻等大容量數據的傳輸變得可能。

相比之下，未來利用激光也可能實現無線通信。目前在無線激光通信領域，人們已經初步實現了地球到月球之間的空間圖像數據傳輸。隨著激光技術以及激光探測、大氣傳輸等相關技術的不斷發展，在三十多年后的2049年，無線激光通信系統將在以下幾個方面給未來社會帶來巨大變革：首先，在地球上，人與人之間的電信號通信將被無線激光通信所取代，無論身處地球的哪個角落，與其他人之間的通信都不再是一個難題，不會存在如今通信過程中所要考慮的“有沒有信號”的顧慮。另外，這種激光通信形式也不會受到自然條件及惡劣天氣的影響，即使受到自然災難的侵襲，激光通信信號也不會被中斷。這在救災搶險以及軍工、國防等方面顯得尤為重要，為地球上人們的生活提供最大限度的保障。其次，在其它星球之間，盡管所處的環境各不相同，但通過無線激光通信的信號傳播，無論身處哪個星球，都可以利用此技術實現信息的及時溝通，并且通過立體圖像、視頻等多種通訊方式的傳播，人們可以身臨其境的了解到其它星球之間的狀況，為星際探索提供便利的條件。

（9）激光帶來的“視覺盛宴”和便捷生活

3D顯像技術大多數利用了人雙眼的視覺差和光學幻象。超大屏幕激光影院以及家庭影院的普及應用可以提供更震撼、逼真的表現力。到2049年，可能通過激光技術實現只有科幻電影中采用的3D立體顯示效果一種新型顯示系統，觀眾不需要配戴任何的頭載式輔助裝置，就能夠提供一種全像3D立體顯示與真實的觀賞體驗，實現無需特制眼鏡，就可以看到在空間懸浮的立體影像的投射型3D顯示屏。

相反，激光投影儀卻可以做的很袖珍，裝在口袋里或者扣在衣服上，方便攜帶，工作人員出差再也不用背個筆記本電腦了，有袖珍型激光投影儀在，可以隨時隨地實現投影功能。袖珍型激光投影儀產品雖然只有MP4播放器般大小的身材，卻可以在墻上投影出20至40英寸的畫面。相信在2049年，其獨特的魅力將掀起一股可穿戴便攜式袖珍型激光投影儀浪潮，擁有美好前景和廣闊的應用空間。并且采用激光投影技術也可以做成激光鼠標，讓用戶可以在桌面上直接空手操作，而不是通過操控傳統鼠標來控制設備。使用時會在桌面上投影出正方形的空間，用戶能夠使用類似于觸控板的豐富手勢操作。同時寬敞的空間設計，用戶可以隨意進行放大或者縮小操作而不受任何限制。這款激光鼠標的重量僅為幾十克，可放在口袋或者背包里，非常便攜小巧并且能耗超小，堪稱移動辦公中最重要的環節。

此外，3D激光全息手機是可穿戴技術的一種。可穿戴設備通過軟件支持以及數據交互、云端交互來實現強大的功能，將會對我們的生活、感知帶來很大的轉變。3D激光全息技術的突飛猛進，使得人可以在不戴3D眼鏡的情況下，看到帶有立體效果的影視節目，并在全視角內都能看到3D立體效果。人們在手機上玩游戲，手指可以不觸碰屏幕的情況下，揮手做切西瓜等動作，手機屏幕上的西瓜等就可以隨之切開。這讓人們不得不感嘆：這實在是太神奇。

（10）超強的激光加工技術

首先，在日常生活領域，每家每戶都有小型的激光切割機，利用激光取代目前所用的金屬刀具。激光切割速度快，效率高，省時省力，在加工處理一些較難用刀具切割食材、較硬紙板、金屬板時，極大地方便了人們的使用。在服裝行業中，利用激光代替剪刀來裁剪衣物，通過電腦控制來實現激光精確的移動，大大地提高了生產效率及解放了人力物力。在農業應用中，利用剪刀剪羊毛效率低，而利用激光剪羊毛則極大地解決了這一問題；激光收割莊稼，一掃就是一大片，效率比收割機高出許多，而且方便，不需要人力一直駕駛這收割機。與此同時，科幻電影“星球大戰”中的激光劍得以問世，可以隨聲攜帶，方便便捷，隨時隨地的切割現在無法及時處理的堅硬物體。

其次，隨著激光焊接技術的不斷成熟，激光焊接技術已經被利用到生產生活的很多領域如鋼鐵、汽車、船舶、航空航天等制造加工業。比如在汽車覆蓋件生產中運用激光焊接技術。在制造鋼鐵時，利用雙面激光焊接達到樣品結合的目的。激光焊接技術也可以在其他行業如醫藥生物行業、電子工業中應用。激光焊接因其吻合速度快、衛生、高效的特點，已被應用于牙醫、生殖醫學、神經醫學等臨床診治。而隨著電子元件的越來越小，激光焊接的高效迅速、熱影響區小等優點在電子工業中的作用就顯而易見了。未來，大容量大功率的激光器的研制仍將繼續，而激光焊接工藝的精細化研究（比如復合激光焊接、雙焦點激光焊接等）也必將激發出激光焊接技術更強大的應用潛力。

此外，隨著激光清洗技術的不斷發展，激光清洗技術也將會應用于目前人類難以解決的各種領域，如激光清洗可以用于核物理領域的材料清洗、以及上至宇宙太空的材料清洗，下至海底地下的物質清洗。

總而言之，隨著電子信息材料科技的發展，在未來世界，人與物之間、物與物之間的信息交流方式會達到一個我們難以想象的便捷程度。無論是我們的衣、食、住、行還是通訊交流，亦或是醫療保健，都將發生翻天覆地的變化。

4.2未來場景

場景1：不剪腳趾甲的后果

某一天，當你沉浸在跑酷游戲中的時候，放置在抽屜的攜帶敏感材料的指甲鉗發話了，它突然占據了你的手機屏幕，彈出以下提示：你已經五個星期沒剪腳趾甲了！你覺得很煩，隨手將這個提示關掉，繼續游戲。

第二天早上，你正在浴室洗臉，又有一則消息出現在浴室的鏡子上面：“現在已經到夏天，你還想不想穿涼鞋了？趕快剪腳趾甲！”你可能繼續無視他的提醒，關掉屏幕，洗完臉上班去了。

可別小看指甲鉗的耐心，它還會不斷絮叨“喂，你的腳趾甲真的很長哦，該修理一下了”、“你今天沒覺得襪子有點緊嗎？”、“你不怕真菌感染嗎？”……

兩周之后，你收到一封郵件，是一位足病專家給你發來的預約郵件，讓你某天去他門診。而此時，你的指甲鉗又發話了：你真得了真菌感染啊？我知道一種治療這個的藥，你可以去試試……

場景2：刀子的憂傷

今天晚上，你要下廚給自己做點特別的，你取出切菜刀時，它不樂意了。在電冰箱上一個屏幕上，菜刀向你抱怨道：“你真的要用我來切菜嗎？你知道我有多久沒有磨了嗎？”

你覺得菜刀說的很有道理，放下菜刀，后來索性就出去吃飯。接下來的一周，你的郵箱被各種推銷菜刀的郵件堆滿了，你看了幾個，但還是猶豫不決。直到某天早上，你發現一大波可以磨刀的機器人站在你房門前……

場景3：酒瓶與酒杯的陰謀

醫生早已建議你必須少喝酒。可某天，你還是習慣性的拿出酒瓶和酒杯，它們倆早已知道你的意圖。

酒瓶發威了，它啟動瓶塞控制機制，讓你死活打不開瓶塞。接著，整個瓶子顏色變成淺黃色，一行黑色警示文字出現在瓶子上面：“喝這種液體可能會損害你的健康！”

倘若你關閉了這種提示，瓶塞非常簡單的就打開了。此時，酒杯出場了，酒杯兩面各有一款屏幕，一面是廣告頁面，另一面則是健康提醒和問候。

杯子會很自然的辨別出你喝的是什么酒，在問候頁面，你會看到以下信息：這真是好酒啊，配上雞肉和沙拉會更好哦！不妨把看看杯子另一面有有哪些更好地搭配吧！

場景4：你需要一個什么樣的床

物聯網時代，床依然是人類最好的朋友。想想吧，每天辛苦一天工作之后，回家躺在床上的感覺是多么的自在，只是，未來的床，會變得極其聰明。

你的床非常詳細地記錄了你體重變化，它會在你變重對你進行懲罰，比如第二天的鬧鐘就是：你該減肥了，胖子！

你的床會收集你身體的每一個數據，通過云端強大的處理功能，得出你的身體狀況，假如結論是你身體不好，那么你第二天起床之后就會收到床發來的電子郵件，一般來說，郵件內容是向你推薦各種藥品，甚至幫你預約好了門診醫生。

場景5：我的一天

早上上班之前，我們會與可穿戴式移動終端，智能眼鏡或者衣物上的柔性屏幕，通過語音交流獲知今天的天氣與空氣質量。而未來無所不在的激光氣體傳感裝置為每一個人提供的將是更為豐富詳盡并且私人定制的空氣質量報告，人們可以隨時了解本街區甚至辦公室的空氣質量，并提前命令辦公室的空氣凈化系統開始工作，每個人將動態獲知辦公環境的空氣凈化進程。這時您已經坐上了智能汽車，智能語音系統詢問您的目的地并快速地根據云端實時的城市交通數據將最佳的行車路線與預計耗時推送到智能汽車的前車窗之上，這時您只用輕松地回復確認智能汽車將開啟自動駕駛模式。智能汽車一旦進入自動駕駛模式，其車頂的全息激光測速測距裝置將不停地進行掃描構建安全車距以內的行車環境的三維拓撲，這些數據匯聚到云端，將與您同一區域內的其他車輛的三維拓撲數據共同計算并決策局域車聯網的行車策略。行駛過程中人們可以通過前車窗的屏幕與部門同事開電視電話會議，討論項目進展與今天的工作計劃；或者您可以觀看城市的早間新聞，這時新聞中播報了一條緊急消息，城市某化工廠危險化工品泄露，幸好激光氣體傳感系統及時響應報警，機器人消防隊快速趕到現場化解了險情，并未造成重大的人員傷亡與財產損失。不知不覺中，智能汽車已將您安全送達目的地，提示您行車用時與能耗。未來的汽車使用的將是綠色能源，電動汽車、太陽能汽車等等，城市中任何行駛的交通工具如若排放有害氣體將被激光氣體傳感系統檢測并警告。

5　電子信息材料產業發展的若干建議

電子信息產業是劃時代的戰略性高科技產業，電子信息產業涉及通信、計算機、顯示等諸多行業，其涵蓋面之廣，發展之迅速遠遠超過歷史上的其他產業。面對全球信息化浪潮的迅猛沖擊和影響，電子信息材料的發展機遇與挑戰共存。為此，無論個體還是國家，各行還是各業都應發揮各自的作用，共同努力，實現美好的未來生活。

5.1微電子材料方面

（1）進一步落實相關產業政策，推動產業發展

為鼓勵集成電路產業的發展，國家陸續出臺了相關的優惠政策，包括《國務院關于印發進一步鼓勵軟件產業和集成電路產業發展若干政策的通知》（國發[2011]4號）等，希望有關部門能夠加快制定惠及微電子材料的相關實施細則，調動微電子材料企業創新發展積極性；同時，對于國產產品出口和國外產品進口稅費做動態調整，推動產業健康、可持續發展。

（2）采取切實措施促進微電子材料產品的市場推廣

經過近年發展，國內集成電路產業鏈雛形已形成，部分集成電路制造企業在試用國產材料方面發揮了重要的扶持作用，但是，還需要研究制訂普惠政策并采取切實措施，如建立國產微電子材料應用保險基金，降低集成電路企業使用國產材料承擔的風險，促進全行業多用、快用國產材料，形成全行業重視國內產業鏈、優先選擇國內材料供應商協同發展的良性局面，為微電子材料產業發展創造必要的市場環境。

（3）引導行業整合和國內外并購發展

通過市場競爭選擇具有技術、團隊、管理、資金等綜合優勢、且公司戰略與國家目標契和的企業作為種子公司，通過市場機制引導國內優勢產業資源整合，解決目前產業規模小、經營產品同質問題；同時，利用全球集成電路產業鏈變革的時機，引導企業實施海外并購，快速做大企業規模。

（4）集中資源扶持龍頭企業

加強國家相關部門和產業組織合作與協同，將微電子材料領域的科技和產業扶持資金重點投向龍頭企業，并依托龍頭企業構建產學研合作平臺，提高產業技術創新能力，增強龍頭企業的核心競爭力，加快培育進入國際同行前列的世界級企業。

（5）強化人才引進和國際合作

除了繼續引進技術開發類國際高端人才之外，重點關注企業管理、市場開拓、國際并購等人才引進，并與培養本土創新團隊相結合支撐產業技術創新和規模化發展；注重與國際領先的研究機構、高校、國際半導體制造企業、國際微電子材料同行等全方位的合作，開發先進技術和產品、交換知識產權、加快產品進入國際市場的速度。

5.2存儲技術與材料方面

新的存儲技術將持續影響未來30年的計算機技術發展，我們更應該把握住這次難得的技術交替所帶來的發展機遇，保證關鍵技術研究的投入，具體如下。

（1）加大相變存儲材料的研究

相變材料已經成功在光存儲和存儲器上實現應用，但是相變材料如何在納秒甚至皮秒內實現非晶態和晶態的可逆相變仍然未有定論。由于非晶態原子排列是無序的，傳統晶體學的理論和結構研究方法已不適用，因而對相變材料的非晶態沒有一個清晰的認識。相變材料從非晶到晶態轉變過程中的微觀結構演化是很重要的，目前也沒有有效的方法可以給出相變過程詳細的原子結構變化，而這些則是尋找新型高性能相變材料，研制自主知識產權的高速、低功耗、長壽命相變存儲器件的重要理論支持。因此，應加大對相變存儲材料的基礎結構研究。

（2）高密度驅動陣列器件模型與可微縮性的研究

1D1R（1個二極管和1個可逆電阻）是實現高密度存儲器的最佳途徑，研究4F2外延雙溝道隔離二極管陣列的納米尺寸效應和器件可微縮性，闡明下一代PCRAM的性能趨勢，有望在高密度、低功耗、工藝簡單和與CMOS工藝兼容性好等方面發揮優勢。

（3）基于相變存儲單元的高速測試系統研究

隨著相變存儲器向高速、低功耗的發展，現有的測試系統很難滿足相變存儲單元的測試要求，因此，研究出基于相變存儲單元的高速測試系統，解決納米相變存儲單元測試中的若干問題就尤為重要。

（4）低功耗高可靠介質復合型電阻存儲器的基礎研究

相變存儲器依靠相變材料在晶態和非晶態之間的轉變，轉變過程中需要大量原子的打亂和重排，如此大規模的原子移動一定程度上可能造成材料高低阻值在一定范圍內的不確定和一定的阻值分布現象。電致阻變存儲器能克服阻值不穩定和電阻分布的缺點，但由于獨特的缺陷俘獲機制使得其可同時生成多種導電通道形態，而相變存儲器高低阻值區分度很好，也可以彌補電致阻變存儲器的不足。因此將兩種阻值轉變效應復合，在充分利用二者優勢的同時可以有效彌補各自的缺點，從而形成一種低功耗高可靠的存儲器件。因此，應通過未來幾年的研究，掌握該介質復合型電阻存儲器件關鍵工藝參數和制備技術，為未來3D存儲提供技術儲備。

（5）支持存儲內計算的芯片及設備研究

隨著近年來數據的爆發性增長，海量數據的處理已經使得處理器不堪重負。將數據處理工作從處理器中轉移到存儲設備內，使計算和存儲間的數據傳輸距離最短，同時將服務器主機的處理器從大量的數據處理任務中解放出來，已經是目前存儲領域重點研究的內容。新存儲器件相比傳統存儲技術更為適合并行計算，將存儲和計算邏輯緊密結合，形成具有數據處理功能的存儲芯片，因此，還應重點研究支持存儲內計算的下一代存儲設備。

（6）針對類腦存儲器的研究

生物技術、納米技術、信息技術和認知科學乃至心理學正相互滲透，各個學科正以前所未有的速度交叉和融合。從國內外的研究現狀和技術發展的趨勢看，現在正是發展類腦計算機的黃金時機。

5.3傳感技術與未來物聯網的發展方面

物聯網傳感器建設是一種“智慧全球”式的飛躍，大到國家與軍事的戰略需要，小到人民生活的方方面面，在這個過程中，對科研人員的工作環境，建立健全科技體制，一定有積極地推動作用。針對傳感技術與未來物聯網的發展，不同主體應該積極地從自身角度出發促進科技的進步，推動國家的發展，從而改善老百姓的生活品質。

（1）政府方面，一方面基于現有的國民經濟發展水平與需求，另一方面從更為長遠的角度出發，廣泛征集意見與建議，設立一批具有長遠發展目標與長期經濟效益的科技研究課題，比如氣體傳感網絡、車聯網等。政府專項目標應是明確的，即科學研究最終能轉換成老百姓生活中實際的科技體驗，能創造實在的經濟價值；政府專項投資應是長期的，因為構想中無論氣體傳感網絡或是車聯網都存在許多技術難點與商用障礙，項目在預研前期如果能很好的論證其廣泛意義與研究可行性，政府應當持續的推動項目的發展與前進。

（2）行業方面，應努力建立好與政府、與科研機構良好的溝通渠道。科學研究大致分為兩種類型，一種為基礎研究與前沿探索，業界不能立馬發現其經濟效應，但為促進科研的多樣性、獨立性與發展潛力，政府與行業是應當鼓勵其發展的；另一種，也許更為重要的是，一批三到五年內具有重大經濟、軍事應用價值的研究方向，就需要業界與政府、科研單位從各自的角度出發，認真探討不同技術的發展意義、價值與潛力，重點投資一些有實際技術價值與應用前景的方向，并通過業界與科研界的合作交流，幫助一些較為成熟的科研成果快速地進行成果轉化。

（3）科研方面，應努力發展一批具有世界領先水平的科學成果與技術成果，適應社會的發展，找準自身的定位，集中精力解決一些國家發展遇到的關鍵性技術，比如新型材料與結構的激光器、探測器，適合未來物聯網需求的激光傳感技術。同時科研機構需要積極地為國家的發展建言獻策，與行業之間做好交流與合作，努力培養國家未來的高科技人才，為普通老百姓做好科普宣傳工作。

（4）公眾方面，鼓勵充分利用國家與社會提供的良好的學習與教育機會，提升自己的科學素養，營造一個良好的科技興國的社會氛圍。

5.4可見光通信方面

安全無疑是我們首要考慮的問題，隨著白光LED的普及，人們開始關注白光LED對人眼是否安全。藍光激發型熒光LED光譜中，含有大量藍光成分。已有實驗證實，大量不規則高能短波藍光引起視網膜黃斑萎縮，進而引起視力嚴重衰退。因此，熒光型白光LED是否會導致人眼黃斑病變率的提高，是人們關注的熱點。不過，隨著新型電致白光LED材料的成熟，在保護眼睛的同時，也會給可見光通信技術帶來機遇，例如：更寬的帶寬，更便捷可靠的調制方式。

此外用戶習慣培養也是需要考慮的問題。目前可見光通信技術仍然停留在實驗室成果階段，離進入應用，可能還有相當長一段路要走。而可見光通信最終能否被用戶接受，成為人們日常生活的一部分，還是取決于它能不能揚長避短，和手機拍照、家用照明、汽車大燈天然結合，以及人們無限的想象力：汽車間依靠LED車燈來“對話”；飛機乘客利用頭頂LED閱讀燈上網；超清網絡電視通過氛圍燈聯網；在大型購物中心里由環境燈導航，去想去的地方……

5.5激光技術發展方面

未來幾十年是激光技術發展最關鍵的時期，我國激光技術發展面臨著重要歷史機遇，在躋身世界顯示強國的過程中面對激烈的國際競爭，仍有嚴峻的挑戰。我國激光器水平與國外激光器水平的總體差距較大，激光器在輸出功率、不同頻率的輸出能量、光束質量、覆蓋波長等指標還有較大提升的空間，國內激光器的研制狀況呈現良莠不齊的狀態，激光產品化能力不足，高端的激光加工成套裝備幾乎全部依賴進口。面對未來人們對激光技術提高生產力、改善生活水平的巨大需求，我國急需針對激光產業發展的共性關鍵技術問題，引導企業、高校、科研院所共同參，推動協同創新，實現共性關鍵技術突破，建立創新的、國際化的開放性公共研發平臺，打破國內高端激光裝備幾乎全部依賴進口的局面。

5.6柔性印刷電子材料方面

為推動我國柔性印刷電子科技發展，我們應貫徹落實創新驅動發展戰略，以增強柔性印刷電子產業技術自主創新能力為目標，以制造業跨越發展的重大需求為導向，以集成優化產業技術創新資源配置為基礎，以密切產學研合作機制為重要手段，充分發揮科研院所、企業、高校，特別是中科院院所技術創新資源的作用，打造貫穿產業鏈的產學研用創新平臺，有效提升我國柔性印刷電子產業創新能力。培養一批技術創新領軍人才，攻克一批制約行業發展的技術瓶頸，建設一批產業共性基礎技術的應用研發基地，為實現中國制造向中國創造轉變、中國速度向中國質量轉變、中國產品向中國品牌轉變，完成2049年中國將躋身世界科技強國前列這一宏偉目標。

第一，把握好產業實際需求和全球技術發展趨勢的關系。

在柔性印刷電子產業領域，我國與世界先進水平還處在同一水平線上，這就需要綜合考慮長、短期發展目標，一方面在先進技術上適當進行超前布局，踏準科技進步節奏，突破國際專利壁壘和知識產權封鎖；另一方面，也要基于國內產業發展的實際需求，集合上下游力量開發共性技術，以推動產業鏈的整體發展。如建立國產印刷電子裝備應用示范基地，通過設備和工藝的協同創新，為推進設備的大生產應用起到了關鍵作用。

第二，把握好研發平臺與企業、高校院所的關系。

在一些重大技術領域，我國科研力量還相對薄弱，因此柔性印刷電子研發平臺必須集聚各方力量。在技術創新過程中，研發平臺、企業內部研發機構、高校或科研院所這三者，理論上有很明確的分工；但實際情況中，昂貴的研發設施往往需要巨大的投入，而相關人才卻很稀缺，因此，研發平臺的建設需要與高校、特別是企業形成研發設備開放共享機制，研發平臺重點配置企業等尚不具備的高端關鍵設備和必要的研發設施。在人才方面，三方也要建立相互間合理的流動機制，研發平臺要對企業、高校及院所開放，吸引各路人才前來工作，并通過多方聯合培養機制加快形成兼具國際化視野和產業經驗的技術隊伍。

第三，把握好培育創新能力和市場化運作的關系。

以市場化的運作機制加快成果轉化，并形成可持續發展能力。而培育創新能力，要求獲得長期持續的投入，不斷形成和產生有突出價值的創新成果，完善市場化機制，加快應用和轉化的速度，在服務戰略性新興產業的同時，形成良性循環的可持續發展態勢。促進形成高效的技術成果產業化和轉移機制。打通基礎研究、應用開發和產業化鏈條，實現創新成果的快速轉化和產業化，促進科技與經濟結合。

[1] 中國科學院信息領域戰略研究組. 中國至2050年信息科技發展路線圖[M]. 北京: 科學出版社，2009，74-92.

[2] 何杰, 夏建白. 半導體科學與技術[M]. 北京: 科學出版社，2007.

[3] International Technology Roadmap for Semiconductors, 2013 Edition. http://www.itrs.net.

[4] https://en.wikipedia.org/w/index.php?Title=Moore's_law&oldid=440998745

[5] ANCONA M G, BENNETT B R, BOOS J B. Scaling projections for Sb-based p-channel fets[J]. Solid-State Electronics, 2010, 54(11): 1349-1358.

[6] MIMURA T, HIYAMIZU S, FUJII T, et al. A new field-effect transistor with selectively doped GaAs/n-AlxGa1-xAs heterojunctions [J]. Japanese Journal of Applied Physics, 1980, 19(5):225-227.

[7] RADOSAVLJEVIC M, CHU-KUNG B, CORCORAN S, et al. Advanced High-k Gate Dielectric for High-Performance Short-Channel In0.7Ga0.3As Quantum Well Field Effect Transistors on Silicon Substrate for Low Power Logic Applications [J]. IEEE International Electron Devices Meeting, 2009, 1-4.

[8] Becke H W, Hall R, White J P. Gallium Arsenide MOS Transistor [J]. Solid-State Electronics，1965, 8(65): 813-823.

[9] YE P D, WILK G D, KWO J, et al. Gaas MOSFET with Oxide Gate Dielectric Grown by Atomic Layer Deposition [J]. IEEE Electron Device Letters, 2003, 24(4): 209-211.

[10] XUAN Y, LIN H C, YE P D, et al. Capacitance-Voltage Studies on Enhancement-Mode ingaas Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor Using Atomic-Layer-Deposited Al2O3 Gate Dielectric [J]. Applied Physics Letters, 2006, 88(26): 1-3.

[11] FANG W W, SINGH N, BERA L K, et al. Balasubramanian N, Kwong D L. Vertically Stacked sige Nanowire Array Channel CMOS Transistors [J]. IEEE Electron Device Letters, 2007, 28(3): 211-213.

[12] BERNARD E, ERNST T, GUILLAUMOT B, et al. Multi-Channel Field-Effect Transistor (MCFET) –Part II: Analysis of Gate Stack and Series Resistance Influence on the MCFET Performance [J]. IEEE Transactions on Electron Devices, 2009, 56(6): 1252-1261.

[13] MIKOLAJICK T, HEINZIG A, TROMMER J, et al. Silicon nanowires—a versatile technology platform [J]. Phys. Status. Solidi: Rapid Res. Let，2013, 7(10): 793-799.

[14] OTA H. Research and development of steep slope CMOS device [EB/OL]. Http://www.yokoyama-gnc.jp/english/research/cmos.html.

[15] Micron's 2015 Summer Analyst Conference. http://investors.micron.com/eventdetail.cfm? EventID=158464.

[16] TSUTSUI K, ReRAM for Fast Storage Application. http://www.flashmemorysummit.com /English/Collaterals/Proceedings/2012/20120822_ S203C_Tsutusui.pdf.

[17] Semiconductor Press release on embedded CBRAM. http://www.altissemiconductor.com/ en/index.php/about-altis/media-center/pressreleases-menu/174-altis-ecbram.

[18] Information on CBRAM products available at Adesto Technologies Corporate. http://www.adestotech.com/cbram.

[19] LIU B, LIU B Y, WANG X F, et al. Memristor-Integrated Voltage-Stabilizing Supercapacitor System [J]. Advanced Materials, 2014, 26 (29): 4999-5004.

[20] LEE M J, LEE C B, LEE D, et al. A fast, high-endurance and scalable non-volatile memory device made from asymmetric Ta2O5-x/TaO2-x bilayer structures [J]. Nature Materials, 2011, 10 (8): 625-630.

[21] KIM Y B, LEE S R, LEE D, et al. Bi-layer RRAM with unlimited endurance and extremely uniform switching in Proc. Symp[J]. VLSI Technol，2011, 52-53.

[22] KAWAHARA A, AZUMA R, IKEDA Y, et al. An 8Mb Multi-Layered Cross-Point ReRAM Macro with 443MB/s Write Throughput[J]. Digest of IEEE International Solid-State Circuits Conference (ISSCC), 2012, 432.

[23] Panasonic Starts World's First Mass Production of ReRAM Mounted Microcomputers http://panasonic.co.jp/corp/news/official.data/data. dir/2013/07/en130730-2/en130730-2.html.

[24] OHNO T, HASEGAWA T, TSURUOKA T, et al. Short-term plasticity and long-term potentiation mimicked in single inorganic synapses [J]. Nature Materials, 2011, 10 (8): 591-595.

[25] TSYMBAL E Y, KOHLSTEDT H. Tunneling across a ferroelectric [J]. Science, 2006, 313 (5784): 181-183.

[26] WEN Z, LI C, WU D, et al. Ferroelectric-field-effect-enhanced electroresistance in metal/ferroelectric/semiconductor tunnel junctions [J]. Nature Materials, 2013, 12 (7): 617-621.

[27] GARCIA V, BIBES M. Ferroelectric tunnel junctions for information storage and processing [J]. Nature Communications, 2014, 5: 4289.

[28] PICKETT M D, MEDEIROS-RIBEIRO G, WILLIAMS R S. A scalable neuristor built with Mott memristors [J]. Nature Materials, 2013, 12 (2): 114-117.

[29] DRISCOLL T, KIM H T, CHAE B G, et al. Memory Metamaterials [J]. Science, 2009, 325 (5947): 1518-1521.

[30] LIU K, CHENG C, SUH J, et al. Powerful, Multifunctional Torsional Micromuscles Activated by Phase Transition [J]. Advanced Materials, 2014, 26 (11): 1746-1750.

[31] SON D, LEE J, QIAO S, et al. Multifunctional wearable devices for diagnosis and therapy of movement disorders [J]. Nature Nanotechnology, 2014, 9 (5): 397-404.

[32] http://www.ecoc2008.org/documents/SC2_Vlasov.pdf.

[33] Chen R, Tran T T D, Ng K W, et al. Nanolasers grown on silicon [J]. Nature Photonics, 2011, 5(3): 170-175.

[34] Xu H, Li X Y, Xiao X, et al. High-speed silicon modulator with band equalization [J]. Optics letters, 2014, 39: 4839-4842.

[35] Phare C T, Lee Y H D, Cardenas J, et al. Graphene electro-optic modulator with 30 GHz bandwidth [J]. Nature Photonics, 2015, 9: 511-514.

[36] LIU M, YIN X B, ULIN-AVILA E, et al. A graphene-based broadband optical modulator [J]. Nature, 2011, 474: 64-67.

[37] 何正福. 柔性電子技術的發展及應用[C].上海市老科學技術工作者協會第十二屆學術年會，2014.

[38] 李永舫. 導電聚合物[J]. 化學進展，2002，14(3): 207-211.

[39] EBISAWA F, KUROKAWA T, NARA S. Electrical properties of polyacetylene/polysiloxane interface[J]. J. Appl. Phys. Lett., 1983, 54(6): 3255-3259.

[40] TSUMURA A, KOEZUKA H, ANDO T. Macromolecular electronic device: field-effect transistor with a polythiophene thin film[J]. Appl. Phys. Lett., 1986, 49(18): 1210-1212.

[41] TANG C W, VANSLYKE S A. Organic electroluminescent diodes[J]. Appl. Phys. Lett., 1987, 51(12): 913-915.

[42] ASSADI A. Field effect mobility of poly(3-hexylthiophene)[J]. Appl. Phys. Lett., 1988, 53(5): 195-197.

[43] BAO Z. High-performance plastic transistors fabricated by printing techniques[J].Chem. Mater., 1997, 9(6): 1299-1301.

[44] 崔錚等. 印刷電子學：材料、技術及其應用[M]. 北京：高等教育出版社，2013：420-430.

[45] Power Plastic[N/OL]. http://www.konarka.com.

[46] New development in the production of flexible thin-film solar cells[N/OL]. [2011-04]. http://www.solar-consulting.dk.

[47] Innovalight Industry News[N/OL]. http://www.innovalight.com.

[48] 柔性電子文獻綜述[J/OL]. 三億文庫 [2015-11-16]. http://3y.uu456.com/bp-cb1a0dc689eb172ded63b737-1.html.

[49] KELLEY T W. Recent progress in organic electronics: materials, devices, and processes[J]. Chem. Mater., 2004, 16(23): 4413-4422.

[50] SUBRAMANIAN V. Printed organic transistors for ultra-low-cost RFID applications[J]. IEEE T. Compon. Pack. T., 2005, 28(4): 742-747.

[51] CANTATORE E. A 13.56-MHz RFID system based on organic transponders[J]. IEEE J. Solid-st. Circ., 2007, 42(1): 84-92.

[52] JUNG M. All-printed and roll-to-roll-printable 13.56-MHz-operated 1-bit RF tag on plastic foils[J]. IEEE T. Electron Dev., 2010, 57(3): 571-580.

[53] Shen G Z. Hierarchical 3D ZnCo2O4 nanowire arras/carbon cloth anodes for a novle class of high-performance flexible lithium-ion batteries [J]. Nanoletter, 2012, 12: 3005—3011.

[54] 馮雪，陸炳衛，吳堅.可延展無機微納電子器件原理與研究進展 [J].物理學報，2014，63(1).

[55] 蔡珣，王振國.透明導電薄膜材料的研究與發展趨勢 [J].功能材料，2005,35: 76-82.

[56] 崔錚.印刷電子學-材料、科技及其應用（2012） [M].北京：高等教育出版社，2012，22-24.

[57] MING P. Flexible Fiber/Wire-Shaped Solar Cells in Progress: Properties, Materials, and Designs [J]. Journal of Materials Chemistry A, 2015, 3: 20435-20458.

[58] MENGDI H. R-Shaped Hybrid Nanogenerator with Enhanced Piezoelectricity[J]. ACSnano, 2013, 7(10): 8554–8560.

[59] Shen G Z. A flexible integratedphotodetectorsystem driven byon-chipmicrosupercapacitors [J]. Nano Energy, 2015, 13: 131-139.

[60] 張會京，侯信. 有機高分子/無機半導體雜化太陽能電池的發展現狀與展望 [J]. 化學進展，2012，24(11): 2106-2155.

[61] TOMOYUKI Y. Ultraflexible, large-area, physiological temperature sensors for multipoint measurements[J]. PNAS, 2015.

[62] 唐晶晶，第鳳，徐瀟. 石墨烯透明導電薄膜 [J].化學進展，2012，24(4): 501-511.

[63] ROGERS A. Semiconductor Nanomaterials for Flexible Technologies: From Photovoltaics and Electronics to Sensors and Energy Storage[M]. Elsevier Inc, 2010.

[64] 郭艷，楊保新，楊永環. 我國醫療器械行業發展概況及發展趨勢[J]. 中國醫療器械信息，2011, 17(7)：7.

[65] CHORTOS A. Skin-inspired electronic devices[J]. Materials Today, 2014, 17(7): 321-331.

[66] BAO Z. 25th Anniversary Article: The Evolution of Electronic Skin (E-Skin): A Brief History, Design Considerations, and Recent Progress[J]. Advanced Materials, 2013, 25(42): 5997-6038.

[67] NAG A. Wearable Electronics Sensors: Current Status and Future Opportunities[M]. Wearable Electronics Sensors. Springer International Publishing, 2015: 1-35.

10.3969/j.issn.2095-6649.2015.11.006

本文引用格式：陳弘達.電子信息材料[J]. 新型工業化，2015，5（11）：34-70.