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近日，天津大學(xué)納米顆粒與納米系統(tǒng)國(guó)際研究中心的馬雷團(tuán)隊(duì)攻克了長(zhǎng)期以來阻礙石墨烯電子學(xué)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)難題，創(chuàng)造了一種新型穩(wěn)定的半導(dǎo)體石墨烯，再次引發(fā)行業(yè)對(duì)石墨烯的關(guān)注。
事實(shí)上，在摩爾定律逼近極限之際，通過半導(dǎo)體材料創(chuàng)新提升集成電路性能早已成為行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。此前，繼荷蘭ASML、日本佳能相繼官宣2nm制造設(shè)備最新進(jìn)展后，一眾半導(dǎo)體制造材料廠商紛紛表示：未來十年，半導(dǎo)體制造材料領(lǐng)域?qū)⒂瓉怼包S金時(shí)代”。
下一個(gè)十年是“材料時(shí)代”
德國(guó)默克集團(tuán)電子業(yè)務(wù)CEO凱?貝克曼說，現(xiàn)在電子行業(yè)正在從過去二十年里依靠工具推進(jìn)技術(shù)的時(shí)代，轉(zhuǎn)向“材料時(shí)代”的下一個(gè)十年。半導(dǎo)體2nm時(shí)代，制程工藝逐漸逼近物理極限，簡(jiǎn)單依賴更小的尺寸、更高的集成度實(shí)現(xiàn)集成電路更新迭代的方式已難以為繼。
在半導(dǎo)體材料制造商英特格CEO詹姆斯·奧尼爾看來，三十年前，先進(jìn)生產(chǎn)工藝需要利用光刻機(jī)制備更小尺寸的晶體管，進(jìn)而提升半導(dǎo)體性能，但當(dāng)前，材料創(chuàng)新已成為半導(dǎo)體性能提升的主要驅(qū)動(dòng)力；凱?貝克曼支持這一觀點(diǎn)，認(rèn)為盡管光刻工具非常重要，但現(xiàn)在更重要的是半導(dǎo)體材料。
具體而言，芯片內(nèi)部晶體管的設(shè)計(jì)和堆疊日漸復(fù)雜，芯片制造已經(jīng)接近原子尺度的極限，未來半導(dǎo)體的發(fā)展不能僅僅依賴光刻技術(shù)，也需要新材料來共同推進(jìn)。這一點(diǎn)在2nm時(shí)代顯得更為重要。
“2nm制程的芯片代工制造，對(duì)半導(dǎo)體材料性能提出了更高的挑戰(zhàn)?！辟惖涎芯吭焊呒?jí)工程師池憲念向《中國(guó)電子報(bào)》記者表示，“一是在光刻方面需要光刻膠及輔材滿足更小線寬制造的需求；二是在小線寬布線方面需要接觸電阻低、較寬溫度范圍內(nèi)熱穩(wěn)定好、附著好、橫向均勻、擴(kuò)散層薄等性能更高的金屬材料；三是在精細(xì)化硅晶圓加工和清洗方案方面，需要更多超細(xì)拋光材料和高純特氣等先進(jìn)半導(dǎo)體材料?！?/p>
理論概念中的“完美設(shè)計(jì)”無遠(yuǎn)弗屆，現(xiàn)實(shí)中的芯片制造卻存在物理邊界。無論是針對(duì)設(shè)計(jì)愈發(fā)復(fù)雜的邏輯芯片，從傳統(tǒng)的平面型晶體管到鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FinFET），再到全環(huán)繞柵極晶體管（Gate-All-Around FET）的多級(jí)跨越；還是存儲(chǔ)芯片在3D NAND領(lǐng)域的激烈競(jìng)爭(zhēng)，以更多的芯片堆疊層數(shù)爭(zhēng)取更大的儲(chǔ)存容量，就像現(xiàn)在三星、SK海力士和美光等廠商生產(chǎn)的芯片層數(shù)已突破230層，正向300乃至更多層發(fā)起沖鋒。這兩個(gè)領(lǐng)域能否取得進(jìn)一步發(fā)展，都不再簡(jiǎn)單依賴光刻設(shè)備的升級(jí)，也呼喚著全新的尖端材料。
當(dāng)制造工藝和設(shè)備的“內(nèi)卷”逼近天花板，半導(dǎo)體材料有望成為行業(yè)的下一個(gè)風(fēng)口。詹姆斯·奧尼爾將當(dāng)前生產(chǎn)3D晶體管芯片比喻成“在直升機(jī)上給建筑噴漆”，需要將創(chuàng)新材料“均勻地覆蓋頂部、底部和側(cè)面”，目前材料行業(yè)正在想辦法從原子尺度上實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。
第一個(gè)石墨烯半導(dǎo)體誕生
就在1月4日，一篇重磅的論文在《自然》雜志上發(fā)表，宣布了世界上第一個(gè)由石墨烯制成的功能半導(dǎo)體的誕生。這一創(chuàng)造性的發(fā)明，為石墨烯電子學(xué)的實(shí)用化邁出了堅(jiān)實(shí)的一步，也為未來的芯片技術(shù)開辟了新的可能性。這項(xiàng)研究是由美國(guó)佐治亞理工學(xué)院提出并指導(dǎo)，由中國(guó)天津大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)承擔(dān)了主要的研究和攻關(guān)工作。其實(shí)，這個(gè)石墨烯半導(dǎo)體早在2021年下半年就已經(jīng)成功研制出來了，但是經(jīng)過了兩年多的驗(yàn)證和修改，直到2024年初才正式向全世界公布。
在尋找新型半導(dǎo)體材料的過程中，石墨烯無疑是一種極具吸引力的候選者。石墨烯是由單層碳原子緊密排列成蜂窩狀結(jié)構(gòu)的二維材料，它與硅一樣豐富廉價(jià)，而且擁有許多令人驚嘆的性質(zhì)，如高導(dǎo)電性、高導(dǎo)熱性、高強(qiáng)度和高透明性等。這些性質(zhì)使得石墨烯有望用于制造更小、更快、更節(jié)能的電子器件，從而推動(dòng)半導(dǎo)體技術(shù)的革命。然而，石墨烯的半導(dǎo)體應(yīng)用并非一帆風(fēng)順，它還面臨著一些重大的技術(shù)難題，例如如何在大面積上制備高質(zhì)量的石墨烯，以及如何調(diào)節(jié)石墨烯的帶隙和載流子濃度等。帶隙是指半導(dǎo)體材料中價(jià)帶和導(dǎo)帶之間的能量差，它決定了半導(dǎo)體的導(dǎo)電性和光電性。石墨烯的一個(gè)缺點(diǎn)是它沒有帶隙，也就是說它不能像普通的半導(dǎo)體那樣通過外加電壓或光照來控制電流的開關(guān)，這限制了它在數(shù)字電路和光電器件中的應(yīng)用。這就是為什么這篇論文的發(fā)表引起了廣泛的關(guān)注，因?yàn)樗故玖艘环N創(chuàng)新的方法，利用外延石墨烯與碳化硅之間的化學(xué)鍵合，實(shí)現(xiàn)了石墨烯的半導(dǎo)體化。
外延石墨烯是指在碳化硅晶體上生長(zhǎng)的一層石墨烯，它的下面與碳化硅中的碳原子形成了共價(jià)鍵。這樣，碳化硅對(duì)石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了顯著的影響，導(dǎo)致了石墨烯的能帶出現(xiàn)了分裂，形成了帶隙。這個(gè)帶隙經(jīng)過測(cè)量大約是0.6電子伏特，也就是說石墨烯中的電子要想從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，就需要克服0.6電子伏特的能量差，這樣就可以實(shí)現(xiàn)電流的開關(guān)控制。這個(gè)帶隙的產(chǎn)生是由于原來在石墨烯中自由傳輸?shù)摩须娮邮艿搅颂蓟璧南拗?，失去了金屬性質(zhì)，變成了絕緣體，也就是說它不再導(dǎo)電了。那么怎么能夠讓它恢復(fù)導(dǎo)電性呢？有兩種方法，一種是施加一定的能量，比如說光照或者加熱，讓電子獲得足夠的動(dòng)能，跨越0.6電子伏特的能障，從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，另一種是通過摻雜其他元素，形成高濃度的載流子，改變石墨烯的電子結(jié)構(gòu)。在這個(gè)外延石墨烯中，研究者是通過摻雜氧氣來實(shí)現(xiàn)這一目的的，從而讓石墨烯具備了導(dǎo)電性，形成了一個(gè)P型半導(dǎo)體。
P型半導(dǎo)體的意思就是說價(jià)帶中有很多帶正電荷的空穴，這些空穴可以吸引電子跳到其中，從而形成一種電流。在場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）的形態(tài)下，研究者對(duì)這種半導(dǎo)體石墨烯進(jìn)行了實(shí)際的測(cè)量，發(fā)現(xiàn)它的遷移率高達(dá)5000平方厘米福特每秒，這是硅的十倍，也是其他二維半導(dǎo)體的20倍之多。遷移率是指載流子的移動(dòng)速率，遷移率越高，意味著這種材料制作的半導(dǎo)體器件的開關(guān)速度就可以做到很快，而且能耗更低。而且，由于是一種二維材料，它也具有很小的體積尺寸和機(jī)械柔韌性，可以讓器件變得更小，設(shè)計(jì)上更靈活。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是，它不需要轉(zhuǎn)移石墨烯到其他基底，而是直接在碳化硅上實(shí)現(xiàn)石墨烯的半導(dǎo)體化，從而避免了轉(zhuǎn)移過程中可能產(chǎn)生的缺陷和污染，保證了石墨烯的高質(zhì)量和高性能。
此外，這種方法還可以通過改變碳化硅的晶面方向，調(diào)節(jié)石墨烯的帶隙大小，從而實(shí)現(xiàn)不同的半導(dǎo)體特性。然而這種方法也有缺點(diǎn)，它需要高溫的化學(xué)氣相沉積過程，而且碳化硅的價(jià)格比普通的硅基底要高，這些都會(huì)增加石墨烯的制造成本和難度。因此，這種方法還需要進(jìn)一步的優(yōu)化和改進(jìn)，以提高石墨烯的生長(zhǎng)速率和均勻性，降低石墨烯的制造成本和復(fù)雜度，才能實(shí)現(xiàn)石墨烯的規(guī)?；a(chǎn)和應(yīng)用。
超原子材料：下一代半導(dǎo)體的速度之王
半導(dǎo)體材料一直以來都扮演著電子設(shè)備的心臟角色，而硅則是當(dāng)前主要的半導(dǎo)體材料。然而，硅卻存在一些缺陷，限制了未來更高效的半導(dǎo)體元件的需求。最近，哥倫比亞大學(xué)的科學(xué)家們?nèi)〉昧艘豁?xiàng)重大突破，他們發(fā)現(xiàn)了一種新型的"超原子"材料，創(chuàng)造出有史以來速度最快、效率最高的半導(dǎo)體記錄。
硅是目前最廣泛使用的半導(dǎo)體材料，但硅本身的電子和電洞遷移速度在未來很難滿足更高效的半導(dǎo)體元件需求。
在任何材料中，原子晶格結(jié)構(gòu)都會(huì)發(fā)出微小振動(dòng)并以聲子形式傳播，后者能散射電子或攜帶能量的粒子，如激子。當(dāng)聲子與電洞相互作用，會(huì)導(dǎo)致半導(dǎo)體內(nèi)的能量以熱能方式散失，從而限制了能量和信息傳輸速度，這是該領(lǐng)域一直未能解決的難題。
然而，哥倫比亞大學(xué)的團(tuán)隊(duì)最近在實(shí)驗(yàn)室中成功合成了一種新型材料，由錸、硒、氯混合而成，被命名為Re6Se8Cl2。這些原子凝聚在一起，表現(xiàn)出類似"超原子"的行為，其半導(dǎo)體性能優(yōu)于目前已知的任何半導(dǎo)體材料。
研究人員發(fā)現(xiàn)，Re6Se8Cl2中的激子不會(huì)像在其他材料中一樣被聲子撞擊而散射，相反，它們與聲子結(jié)合，形成了一種新的準(zhǔn)粒子，稱為聲激子-極化子。盡管這些準(zhǔn)粒子的行進(jìn)速度較一般激子慢，但與硅相比，它們不受聲子散射的干擾，可以傳輸更快的電子。
可以將這種現(xiàn)象簡(jiǎn)單地解釋為龜兔賽跑。在硅中，電子快速穿越時(shí)常常受到反彈和分散的影響，導(dǎo)致能量以熱的方式浪費(fèi)。然而，Re6Se8Cl2中的極化子在傳輸過程中不受其他聲子的影響，隨著時(shí)間的推移，它們移動(dòng)得更遠(yuǎn)，更快。
具體而言，以從點(diǎn)A傳輸?shù)近c(diǎn)B所需的時(shí)間來衡量，Re6Se8Cl2中的極化子傳輸速度實(shí)際上是硅中電子速度的兩倍。
研究人員認(rèn)為，使用這種材料制造的電子設(shè)備理論上速度將提高6個(gè)數(shù)量級(jí)，而且還可以在室溫下工作。
然而，由于錸等材料的稀缺和高昂，這種特殊混合物材料很難投入市場(chǎng)，尤其是用于消費(fèi)品。但研究團(tuán)隊(duì)相信，未來可能會(huì)出現(xiàn)類似且更便宜的"超原子"材料，或者可以使用更低成本的技術(shù)來制備Re6Se8Cl2，這將大大提高計(jì)算機(jī)芯片的運(yùn)行速度。
第三代半導(dǎo)體未來前景有多大？
近年來，以碳化硅、氮化鎵為主的第三代半導(dǎo)體材料需求爆發(fā)，成為資本市場(chǎng)追逐的對(duì)象。如今，以氧化鎵為代表的第四代半導(dǎo)體材料的閃亮登場(chǎng)，有望成為半導(dǎo)體賽道的新風(fēng)口。
根據(jù)日本氧化鎵企業(yè)FLOSFIA預(yù)計(jì)，2025年氧化鎵功率器件市場(chǎng)規(guī)模將開始超過氮化鎵，2030年達(dá)到15.42億美元（約人民幣100億元），達(dá)到碳化硅的40％，達(dá)到氮化鎵的1.56倍。
單看新能源車市場(chǎng)，2021年全球新能源車銷量650萬輛，新能源汽車滲透率為14.8％，而碳化硅的滲透率為9％，隨著新能源車的滲透率提高，市場(chǎng)規(guī)模將逐步擴(kuò)大，目前碳化硅、氮化鎵還遠(yuǎn)未達(dá)到能夠左右市場(chǎng)的程度，相比之下氧化鎵的發(fā)展窗口非常充裕。
在射頻器件市場(chǎng)，氧化鎵的市場(chǎng)容量可參考碳化硅外延氮化鎵器件的市場(chǎng)。碳化硅半絕緣型襯底主要用于5G基站、衛(wèi)星通訊、雷達(dá)等方向，2020年碳化硅外延氮化鎵射頻器件市場(chǎng)規(guī)模約8.91億美元，2026年將增長(zhǎng)至22.22億美元（約人民幣150億元）。
從應(yīng)用領(lǐng)域來看，氧化鎵在以下方面將會(huì)得到長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展：
1．功率電子
氧化鎵功率器件跟氮化鎵、碳化硅有部分重合，在軍民應(yīng)用領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。在軍用領(lǐng)域可用于高功率電磁炮、坦克戰(zhàn)斗機(jī)艦艇等電源控制系統(tǒng)以及抗輻照、耐高溫宇航用電源等，可大幅降低武器裝備系統(tǒng)損耗，減小熱冷系統(tǒng)體積和重量，滿足軍事應(yīng)用部件對(duì)小型化、輕量化、快速化與抗輻照耐高溫的要求；在民用領(lǐng)域可用于電網(wǎng)、電力牽引、光伏、電動(dòng)汽車、家用電器、醫(yī)療設(shè)備和消費(fèi)類電子等領(lǐng)域，能夠?qū)崿F(xiàn)更大的節(jié)能減排；
2．襯底材料
氧化鎵能通過提拉法快速制備，是一種有潛力的襯底材料，可用來制備大功率GaN基LED，也可以利用同質(zhì)外延制備新型氧化鎵基功率電子器件；
3．透明導(dǎo)電氧化物薄膜
氧化鎵晶體化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不易被腐蝕，機(jī)械強(qiáng)度高，高溫下性能穩(wěn)定，有高的可見光和紫外光的透明度，尤其是其在紫外和藍(lán)光區(qū)域透明，這是傳統(tǒng)的透明導(dǎo)電材料所不具備的，因此β——Ga2O3單晶可以成為新一代透明導(dǎo)電材料，在太陽能電池、平板顯示技術(shù)上得到應(yīng)用；
4．日盲紫外光探測(cè)器及氣體傳感器
由于氧化鎵高溫下性能穩(wěn)定，有高的可見光和紫外光的透明度，尤其是在紫外和藍(lán)光區(qū)域透明，因此日盲紫外探測(cè)器是目前氧化鎵比較確定的一條應(yīng)用路線。
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