自1954年以來(lái)，硅一直是先進(jìn)技術(shù)發(fā)展的重要基石。人們普遍認(rèn)為，硅作為電子元件基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)核心材料的地位不可動(dòng)搖。但根據(jù)摩爾定律，硅也有局限性。因此，自初次使用硅作為半導(dǎo)體原材料以來(lái)，業(yè)界一直在尋找替代材料。

迄今為止，沒(méi)有哪種材料能夠像硅一樣兼具多元化特性，半導(dǎo)體行業(yè)大規(guī)模投資硅材料也預(yù)示著其長(zhǎng)期存在的必然性。但事實(shí)上，半導(dǎo)體材料非常豐富，并且能夠?yàn)槲㈦娮拥牟煌I(lǐng)域帶來(lái)寶貴價(jià)值。要知道，第一個(gè)晶體管使用的不是硅，而是鍺。如今，許多替代材料正與硅一起扮演重要角色，在消費(fèi)技術(shù)持續(xù)向電氣化轉(zhuǎn)變的過(guò)程中，這一點(diǎn)尤為突出。半導(dǎo)體材料專(zhuān)家深知，問(wèn)題不在于用一種材料替代另一種材料，而是為具體應(yīng)用選擇更合適的材料，幫助滿足性能、效率、穩(wěn)健性等要求。

接下來(lái)將提到兩種頗有前景的半導(dǎo)體替代材料，并將圍繞其適用范圍以及優(yōu)缺點(diǎn)展開(kāi)詳細(xì)介紹。

適合極端環(huán)境的解決方案

與硅相比，寬禁帶半導(dǎo)體材料具有一系列優(yōu)勢(shì)。這些材料可在更高的電壓和溫度下工作，能夠開(kāi)啟更高的通信信道并在更多樣的環(huán)境中正常運(yùn)行，有時(shí)甚至適用于極端環(huán)境，也因此成為了創(chuàng)新的重要驅(qū)動(dòng)力。寬禁帶材料有助于實(shí)現(xiàn)更快、更小、更高效且更可靠的器件設(shè)計(jì)，從而能為功率和射頻電子應(yīng)用帶來(lái)益處。

氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）是目前比較常用的兩種寬禁帶半導(dǎo)體材料。這兩者在20世紀(jì)80年代末因藍(lán)光LED的開(kāi)發(fā)走向商業(yè)化，并因其較大的能隙尺寸而成為可能（能隙是指半導(dǎo)體中電子的價(jià)帶與導(dǎo)帶之間的能量區(qū)間）。氮化鎵在生長(zhǎng)工藝上相較于碳化硅取得的突破，使其在光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，例如在藍(lán)光DVD播放器中的使用，并因此在2014年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的肯定。

寬禁帶半導(dǎo)體材料除了具備較大的能隙特性之外，還擁有極高的熱導(dǎo)率，這意味著它們能夠更有效地散熱，進(jìn)而提升設(shè)備的運(yùn)行效率，因?yàn)檩^低的工作溫度有利于設(shè)備性能的優(yōu)化。這些材料能夠耐受更高的電場(chǎng)和高溫環(huán)境，使它們?cè)诠β孰娮宇I(lǐng)域的應(yīng)用尤為吸引人，尤其是在設(shè)計(jì)逆變器、電源以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等方面。在汽車(chē)領(lǐng)域，例如電動(dòng)汽車(chē)（EVs）和插電式混合動(dòng)力汽車(chē)等，GaN和SiC為功率器件帶來(lái)的性能特性極大地提升了它們的應(yīng)用價(jià)值。

除了應(yīng)用于LED和功率電子元件，GaN還是射頻放大器等高頻器件的重要材料，推動(dòng)了無(wú)線通信和5G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。

此外，SiC材料非常堅(jiān)硬，具有出色的機(jī)械穩(wěn)定性，并且材料成本比較低，能夠在許多行業(yè)中大放異彩，甚至能用于制造磨料和切割工具的領(lǐng)域中。

潛力巨大但非常復(fù)雜

在許多方面，GaN和SiC在半導(dǎo)體行業(yè)中的應(yīng)用復(fù)雜度都比傳統(tǒng)硅材料更高。GaN難以廣泛采用的主要問(wèn)題在于其可靠性和成本。

對(duì)比硅的1.12電子伏，氮化鎵的能隙高達(dá)3.4電子伏，這一特性使其在高功率及高頻率設(shè)備上有著天然的適用性。然而，在生長(zhǎng)過(guò)程中，GaN易出現(xiàn)缺陷和位錯(cuò)，這可能會(huì)影響器件的可靠性。此外，生產(chǎn)大面積的GaN基晶圓既困難又成本巨大。為解決這些問(wèn)題，眾多研究者致力于研發(fā)將GaN集成至硅晶圓的技術(shù)，這涉及到將兩種不同晶體結(jié)構(gòu)以盡量避免產(chǎn)生位錯(cuò)和缺陷的方式相結(jié)合。這一任務(wù)極具挑戰(zhàn)性，且可能有晶圓裂紋的風(fēng)險(xiǎn)。

碳化硅的硬度及其脆性特點(diǎn)，使其生產(chǎn)過(guò)程面臨諸多挑戰(zhàn)。該材料在生長(zhǎng)和加工過(guò)程中需在較高溫度下長(zhǎng)時(shí)間耗能。特別是在使用廣泛的4H-SiC晶體結(jié)構(gòu)時(shí)，由于其高透明度和高折射率的特性，使得在檢測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)表面缺陷尤為困難。

半導(dǎo)體仿真的新時(shí)代

前景廣闊的半導(dǎo)體材料數(shù)不勝數(shù)，GaN和SiC只是其中的兩種。我們預(yù)期將不斷見(jiàn)證新型材料及其應(yīng)用的涌現(xiàn)，這些材料將利用諸如自旋電子學(xué)、鐵電性質(zhì)或相變材料等新穎物理學(xué)原理，在替代性存儲(chǔ)器件設(shè)計(jì)等領(lǐng)域發(fā)揮作用。

在探索石墨烯之外的二維材料方面，研究者們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了新的材料種類(lèi)，比如過(guò)渡金屬硫?qū)倩衔飭畏肿訉樱═MDs），這一發(fā)現(xiàn)為新型器件的研發(fā)敞開(kāi)了大門(mén)。同時(shí)，神經(jīng)形態(tài)計(jì)算的領(lǐng)域正在迅速擴(kuò)展，這將對(duì)器件功能和計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重大影響。最終，低溫應(yīng)用的研究可能對(duì)提升數(shù)據(jù)中心的能效發(fā)揮重要作用，尤其是在人工智能應(yīng)用迅猛增長(zhǎng)、能源消耗問(wèn)題日益凸顯的背景下，這一研究有望引領(lǐng)我們進(jìn)入全新的材料類(lèi)別。

在這些討論中，我們關(guān)注的是對(duì)硅基材料的補(bǔ)充而非替代?，F(xiàn)有技術(shù)及不斷演進(jìn)的新技術(shù)正重新定義尺寸縮放的原則。隨著我們步入系統(tǒng)技術(shù)協(xié)同優(yōu)化（STCO）的新時(shí)代，設(shè)計(jì)將逐漸呈分散化，這樣不僅可以更經(jīng)濟(jì)地構(gòu)建單個(gè)組件，而且還能通過(guò)重新組合它們來(lái)提升整體性能。為此，我們必須為新時(shí)代的芯片設(shè)計(jì)探索做好準(zhǔn)備。

審核編輯：劉清