下一代芯片用什么半导体材料？专家：未来方向必然是宽禁带半导体

伴随着新能源、5G、人工智能等新技术的爆发式发展，全球对基于高质量半导体材料的芯片需求猛增。而美国近年来试图在半导体芯片领域对中国“卡脖子”，更让中国民众对半导体产业的关注度空前高涨。近日，华为公司与哈尔滨工业大学联合申请的“一种基于硅和金刚石的三维集成芯片的混合键合方法”专利公布，引发了科技界的广泛关注。事实上，在新一代半导体材料领域，各国也都在纷纷发力。

金刚石半导体优势有多大

专利材料显示，华为公司与哈尔滨工业大学联合申请的这项发明专利实现了以Cu/SiO2混合键合为基础的硅/金刚石三维异质集成。外界分析称，这一技术的突破之处在于，它成功地将硅和金刚石这两种性质迥异的材料结合在一起，开创了芯片制造领域的新思路。新兴技术的不断发展，对芯片性能的要求越来越高，传统的硅基芯片虽然在一定程度上满足了这些需求，但在某些特定领域如高功率、高温等环境下仍存在一定的局限性。而金刚石作为具有优异热学、电学和力学性能的材料，被认为是下一代芯片的理想选择之一。

在金刚石薄膜上制造的半导体器件

对于金刚石半导体寄予厚望的还有日本。《日本经济新闻》网站称，日本初创企业OOKUMA公司计划将被称为“终极半导体”的金刚石半导体推向实用化，最早将在2026年度投产。报道称，日本佐贺大学的研究表明，与现在主流的硅基半导体相比，金刚石半导体可在5倍的高温和33倍的高电压下工作。性能也比常见的第三代半导体——碳化硅和氮化镓出色。这种特性让它有望用于更高电压环境下的纯电动汽车、高速通信及卫星通信等领域。

报道称，OOKUMA公司生产的金刚石半导体器件将首先用于福岛第一核电站的核废料处理。为查看和清理福岛第一核电站堆芯熔毁后留下的熔融燃料，只有耐受极高辐射强度的机器人才能胜任。但普通半导体器件在这种极端环境下的寿命非常短，而OOKUMA公司发现，金刚石半导体器件在450摄氏度的高温和辐射强度极高的恶劣环境下也能正常工作。此外，为保护半导体器件免受强辐射和高温环境的影响，原本需要用沉重的铅包裹机器人的核心部分，并配备专门的冷却装置，而配备金刚石半导体后，就可以省去这些装置，从而减轻机器人重量，提高工作效率。OOKUMA公司计划以处理核电站废堆为契机量产金刚石半导体。为力争应用于卫星通信，该公司与三菱电机等启动了联合研究。年内还将与日本厂商推进用于纯电动汽车器件的开发。

第三代半导体材料高速发展

金刚石半导体是如今备受关注的第三代半导体材料之一。西北工业大学深圳研究院博士后李颖锐对《环球时报》记者介绍说，半导体是一系列常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料的总称，常见的半导体材料有硅、锗、砷化镓等。半导体的导电性具有可控性，可以通过添加杂质（掺杂）或改变温度来调整其导电性能。运用半导体材料的特点，能够制作出通过一个端口的电压或电流控制另一个端口电压或电流的半导体器件——晶体管。将晶体管与电阻、电容以及其他无源器件的元件相互连接，就形成了一个集成电路。而芯片的本质是在半导体衬底上（也称作“晶圆”）制作能实现一系列特定功能的集成电路。

据介绍，第一代半导体材料是指硅、锗为代表的元素半导体材料，应用极为普遍，目前90%以上的半导体产品是用硅基材料制作的；第二代半导体材料是以砷化镓、磷化铟为代表的化合物材料。李颖锐认为，从材料的角度说，未来发展方向必然是宽禁带半导体。禁带宽度是半导体的一个重要特征参量，其大小主要决定于半导体的能带结构，即与晶体结构和原子的结合性质等有关。禁带宽度决定了半导体在不同温度和电场下的导电性能，宽禁带半导体能够在更高的温度、电压和频率下运行，从而降低损耗、提高效率，这一优势对于新能源汽车和5G通信、航天航空和军事系统等领域尤其重要，也可以应用于更复杂的环境。宽禁带半导体一般被称作第三代半导体，主要包括碳化硅、氮化镓、氧化锌、金刚石、氮化铝等，优点是禁带宽度大（>2.2ev）、击穿电场高、热导率高、抗辐射能力强、发光效率高、频率高，可用于高温、高频、抗辐射及大功率器件，也是目前各国大力发展的新型半导体器件。

氮化镓晶圆

例如已开始广泛应用的碳化硅半导体器件，相比第一代和第二代半导体材料，拥有良好的耐热性、耐压性和极低的导通能量损耗，是制造高压功率器件与高功率射频器件的理想材料。而另一种开始大规模普及的氮化镓材料，可以显著增强半导体的性能和设计。与其他材料相比，它可以在更高的频率下以更高的效率支持更高的增益。氮化镓具备出色的热性能以及更高的击穿电压，这使得设计和制造体积更小、更薄，又不会影响功耗、可靠性或安全性的半导体材料成为可能。在万物互联的5G物联网时代，这是不容忽视的优势。

新兴材料日益获得关注

除了第三代半导体材料外，还有更多的新兴材料也日益获得关注。2023年的诺贝尔化学奖被授予“发现和合成量子点”的三名科学家。所谓量子点是一类微小颗粒或纳米晶体，即直径在2-10纳米之间的半导体材料，是导带电子、价带空穴及激子在三个空间维度上束缚住的半导体纳米结构。除了在显示和照明领域的应用外，诺贝尔化学奖委员会称，未来量子点还有望在量子计算、柔性电子产品、微小传感器、更薄的太阳能电池等领域做出贡献。

此外，石墨烯等二维材料在半导体领域的应用也受到广泛研究。石墨烯是一个由单层碳原子组成的二维材料，它具有出色的电子迁移率和热导率。这种材料的独特性质为未来的电子设备提供了新的可能性，如超快速的传输器件和高度集成的传感器。

下一代芯片需要半导体材料的突破式发展。

除了材料外，通过其他方面的技术突破，也有望进一步推动半导体技术的进步。李颖锐研究团队近期推出了新一代半导体光子计数成像系统，打破了国外的技术封锁，空间分辨率由毫米级提升到微米级，实现了真正意义的彩色成像。这背后主要依托于团队对影响光子计数应用的三大技术进行了突破，其中包含晶体材料、ASIC专用读出芯片、多能谱成像算法，在晶体解决方案领域达到了国际上的先进水平。

面临摩尔定律增速放缓等难题，清华大学自动化系戴琼海院士团队近日提出了一种“挣脱”摩尔定律的全新计算架构：光电模拟芯片。视觉任务中实测，其算力达到目前高性能商用芯片的3000余倍。研究团队在接受《环球时报》记者采访时介绍称，全新的计算框架从最本质的物理原理出发，结合了基于电磁波空间传播的光计算，与基于基尔霍夫定律的纯模拟电子计算，“挣脱”传统芯片架构中数据转换速度、精度与功耗相互制约的物理瓶颈，在一枚芯片上突破了大规模计算单元集成、高效非线性、高速光电接口三个难题。