哪種新材料能讓中國晶片產業彎道超車？丨億歐問答

2016年以前，晶片行業內有聲音認為：7nm是矽晶片工藝的物理極限；而現在，7nm製程的矽晶片已經問世，新的聲音又出現了：3nm才是極限。

但3nm以下的晶片該怎麼發展？對此，目前各大半導體廠商都沒有明確的答案。

晶片產業發展面臨瓶頸，推出新的架構是一大解決方案，但更「根本」的辦法，或許是找到能夠替代矽的新材料。

事實上，矽材料並非從一開始就是首選。

在矽之前，主流晶片材料是鍺，但鍺的「硬傷」，主要有三個：

一是含量少。

鍺在地殼中的含量僅為一百萬分之七且極為分散，被稱為「稀散金屬」。

沒有集中的「鍺礦」，導致鍺的開採成本十分高昂，也很難實現大規模生產。

二是高純度鍺的提煉難度很大。

純度不足的直接結果就是晶片性能難以提升。

三是穩定性差。

採用鍺電晶體的晶片，最多只能承受80°C左右的高溫，而早期晶片的買方以政府軍方為主，這些客戶通常要求產品能夠經受200°C的高溫，鍺晶片顯然做不到。

鍺的這些「硬傷」，恰好都是矽的長處。

矽在地殼中的含量高達26.3%，僅次於氧（48.6%），是含量第二高的元素。

在穩定性方面，矽也強於鍺。

在提純方面，現在的技術已經能將純度無限提升至接近100%。

自從仙童公司發明了矽電晶體的平面處理技術，讓矽在晶片中的應用變得簡單高效，矽就逐漸成為了晶片製造的主流材料。

如今，矽遇到了什麼問題？

晶片發展的趨勢，可以簡單總結為：體積更小、性能更強。

要朝這個方向發展，就要讓晶片單位面積上集成的元器件數量更多。

元器件尺寸越小，晶片上能集成的元器件就自然越多，當然這同時也意味著更高的製造難度。

這就好比房間越來越小，但裡面要裝的東西卻越來越多，不管採用什麼樣的「收納」方式，總有一天，這個房間會「過載」。

漏電和散熱不佳，就是矽晶片「過載」產生的問題。

實際上，這兩個問題並不是在當前晶片製程工藝走到了7nm這一時期，才突然出現的。

在矽晶片發展歷程中，這樣的問題也多次出現，但各大廠商都用各種方式巧妙解決了。

運用新的材料，就是其中一種方法，比如用鍺矽等元素作為信道的材料。

但如何將不同的材料整合到矽基板上，也是一項挑戰。

即使現在的7nm晶片並沒有像過去預測的那樣，達到矽晶片的物理極限，但矽的物理極限是必然存在的。

晶片的下一個「根本性」的突破，就是找到新的材料。

什麼類型的材料有望成為主流？

近日，達摩院發布的「2020十大科技趨勢」預測：新材料的全新物理機制，將實現全新的邏輯、存儲及互聯概念和器件，推動半導體產業的革新。

例如，拓撲絕緣體、二維超導材料等，能夠實現無損耗的電子輸運和自旋輸運，可以成為全新的高性能邏輯器件和互聯器件的基礎。

著名華裔科學家張首晟就在2016年宣稱：已經發現了新的拓樸絕緣體材料，並且該材料已經實驗成功。

如果這種新的拓樸絕緣體材料最終能夠成功地應用到半導體和晶片產業中，將帶來巨大的商機，也將造就一個新的矽谷時代。

當然，目前拓樸絕緣體在晶片製造領域的應用，還處於比較早期的研發階段。

已知的是能夠解決電子晶片發熱的問題，但未來這種材料該怎麼用、能用在哪裡，還有許多需要探索的地方。

此外，拓樸絕緣體更多地被寄希望於應用在量子晶片上，但量子晶片與經典晶片是完全不同的兩個領域。

另一種新材料——二維超導材料，是時下半導體行業討論的熱門話題。

二維材料包括石墨烯、磷烯、硼烯等，這些材料更有希望成為主流材料。

其中，石墨烯是最突出的一個。

之所以看好石墨烯，是因為它除了「二維」這個屬性外，還有一個身份——碳納米材料。

早在2012年，IEEE（電氣和電子工程師協會）就在《超越摩爾》中寫道，未來半導體工業可能從「矽時代」進入「碳時代」。

碳納米材料石墨烯可能在未來代替原來的矽基材料。

碳納米管是由石墨烯片捲成的無縫、中空的管體，導電性能極好，而且管壁很薄。

因此，理論上在同樣的集成度下，碳納米管晶片能比矽晶片更小；此外，碳納米管本身產熱很少，加上有良好的導熱性，因此能夠減少能耗；此外，從開採成本考量，碳的分布廣泛，獲取成本並不高。

更重要的是，石墨烯作為人類最早發現的二維材料，其應用已經在螢幕、電池、可穿戴設備上出現，石墨烯的研究已經到了相對成熟的階段。

因此，石墨烯最為有望成為新的主流晶片材料，取代矽的地位。

目前中國自主研發的傳統晶片，還在28nm到14nm製造工藝的商業化量產轉化過程中，與國際先進水平還有較大的差距。

但這都是建立在矽作為晶片主要材料的基礎上來說的，如果未來碳納米材料能夠成為主流，那麼中國是否有機會在這個節點上，實現彎道超車？

首先，中國的碳納米管器件研究與國際前沿水平差距不大。

國際上最早實現碳納米管器件製備的是IBM，2017年IBM通過使用碳納米管將電晶體尺寸縮小到40nm；同年，北京大學研製了120nm的碳納米管電晶體，在0.8伏特電壓下的跨導，為已發表的碳納米管器件中的最高值。

但任何技術的發展都不會一帆風順。

石墨烯在晶片製造領域的應用面臨著三大難題：首先，目前高純度的石墨烯還比較難獲得；其次，石墨烯晶圓的製造也十分困難，雖然現在中國已經率先實現石墨烯單晶晶圓的規模化製備，但在當前的製作工藝下，還是容易出現褶皺、點缺陷和污染的情況；最後，要讓納入器件的石墨烯能夠繼續保持其優良的性能，其他相關的製作工藝和材料也需要與之配套疊代，才能保證以石墨烯為原料的晶片得以穩定運行。

簡單總結來說，石墨烯還是一個比較新的材料。

要想讓石墨烯能夠真正替代矽，成為晶片的主流材料，在製造工藝以及配套器件的技術跟進上，還有許多難題需要解開。

對中國而言，在技術新舊交替的節點上，無疑存在著彎道超車的機會。

但需要正視的問題是：國內對新概念往往過於狂熱。

石墨烯在晶片等眾多領域確實大有潛力，但從發現潛力到產業化，中間需要的是腳踏實地的研究，也需要大眾對新技術研發失敗的包容。

中國晶片的彎道超車，不僅僅需要「新」材料，更需要的是「新」的產學研體系，以及更加開放包容的投資環境。