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中国电子元器件网：谁将在未来取代硅作为芯片材料的选择？
发布日期：2024-07-04 07:13     点击次数：63
2016年之前，芯片行业有声音认为7纳米是硅片技术的物理极限。现在，7纳米工艺的硅片已经问世，新的声音出现了:3纳米是极限。但是3纳米以下的芯片应该如何发展呢？目前，主要半导体制造商对这个问题没有明确的答案。芯片产业的发展面临瓶颈。新架构的引入是一个主要的解决方案，但是一个更“基本”的方法可能是找到可以替代硅的新材料。事实上，硅材料从一开始就不是首选。在硅之前，主要的芯片材料是锗，但是锗有三个主要的“硬伤口”:首先，内容很低。地壳中锗的含量只有700万，而且非常分散。它被称为“分散的金属”。没有集中的“锗矿”，导致锗开采成本高，难以实现大规模生产。其次，提炼高纯度锗非常困难。纯度不足的直接结果是芯片性能难以提高。第三，稳定性差。使用锗晶体管的芯片只能承受高达80℃的温度。然而，早期的芯片购买者主要是政府和军方。这些客户通常要求产品能够承受高达200℃的温度。锗芯片显然不能。锗的这些“硬伤口”正是硅的优点。地壳中硅的含量高达26.3%，仅次于氧(48.6%)，是第二高的元素。就稳定性而言，硅也比锗强。就纯化而言，目前的技术已经能够无限地将纯度提高到接近100%。自从先通公司发明了硅晶体管的平面加工技术，使得硅在芯片中的应用变得简单高效，硅逐渐成为芯片制造中的主流材料。今天硅有什么问题？芯片的发展趋势可以简单概括为尺寸更小、性能更好。为了朝这个方向发展，每单位面积的芯片必须集成更多的元件。元件尺寸越小，芯片上集成的元件就越多，这当然也意味着制造难度更高。好像房间变得越来越小，但是里面有越来越多的东西要填充。不管采用什么样的“存储”方法，总有一天房间会“超载”。泄漏和散热不良是硅片“过载”造成的问题。事实上，当目前的芯片制造工艺达到7纳米时，这两个问题并没有突然出现。在硅片的开发过程中，这样的问题已经出现过多次，但是主要的制造商已经以各种方式巧妙地解决了它们。使用新材料是方法之一，例如，使用锗、硅和其他元素作为沟道材料。然而，如何将不同的材料集成到硅衬底上也是一个挑战。即使目前的7纳米芯片没有达到过去预测的硅片物理极限，硅的物理极限也是不可避免的。芯片的下一个“根本性”突破是找到新材料。什么类型的材料有望成为主流？近日，达摩研究所发布的“2020年十大科技趋势”预测，新材料的新物理机制将实现逻辑、存储和互联的新概念和器件，推动半导体产业的创新。例如拓扑绝缘体、二维超导材料等可以实现无损电子传输和自旋传输，可以成为全新高性能逻辑器件和互联器件的基础。中国著名科学家张首晟在2016年宣布，一种新的拓扑绝缘体材料已经被发现，并已成功测试。如果这种新型拓扑绝缘体材料最终能够成功应用于半导体和芯片行业，将会带来巨大的商机，创造一个新的硅谷时代。当然，拓扑绝缘体在芯片制造中的应用仍处于研发的早期阶段。众所周知，它可以解决电子芯片的加热问题，但仍有许多地方可以探索这种材料将来应该如何使用以及在哪里使用。此外，拓扑绝缘体更有望应用于量子芯片，但量子芯片和经典芯片是完全不同的领域。另一种新材料，二维超导材料，是半导体行业的热门话题。二维材料包括石墨烯、磷腈、硼烷等。这些材料更有可能成为主流材料。其中， 芯片采购平台石墨烯是最突出的一种。石墨烯受到重视的原因是，除了它的“二维”属性之外，它还有一个特性——碳纳米材料。早在2012年，电气和电子工程师学会(IEEE)在《超越摩尔》(Beyond Moore)中写道，未来的半导体产业可能从“硅时代”进入“碳时代”。石墨烯是一种碳纳米材料，将来可能会取代原来的硅基材料。碳纳米管是由石墨烯片卷成的无缝空心管，具有优异的导电性和薄壁。因此，理论上，在相同的集成度下，碳纳米管芯片可以比硅芯片小。此外，碳纳米管产生的热量很少，并且具有良好的导热性，因此降低了能耗。此外，考虑到采矿成本，碳分布广泛，收购成本不高。 谁将在未来取代硅作为芯片材料的选择？ 更重要的是，石墨烯作为人类发现的第一种二维材料，已经应用于屏幕、电池和可穿戴设备。石墨烯的研究已经到了相对成熟的阶段。因此，石墨烯极有可能成为替代硅的一种新的主流芯片材料。目前，我国自主开发的传统芯片仍处于商业化大规模生产和28纳米到14纳米制造技术的转化过程中，与国际先进水平仍有很大差距。然而，这一切都是基于硅作为芯片的主要材料。如果碳纳米材料能够成为未来的主流，中国有机会在这个节点超越吗？首先，中国对碳纳米管器件的研究离国际先进水平不远。IBM是世界上第一个实现碳纳米管器件制备的公司。2017年，IBM将晶体管尺寸缩小到40纳米；通过使用碳纳米管。同年，北京大学开发了跨导为0.8伏的120纳米碳纳米管晶体管，这是已发表的碳纳米管器件中的最高值。然而，任何技术的发展都不会一帆风顺。石墨烯在芯片制造领域的应用面临三大问题:第一，目前仍较难获得高纯度石墨烯；其次，石墨烯晶片的制造也非常困难。虽然中国在石墨烯单晶晶片的大规模制造方面处于领先地位，但是在目前的制造工艺下，褶皱、点缺陷和污染仍然很容易发生。最后，为了使掺入器件的石墨烯继续保持其优异的性能，还需要重复其他相关的制造工艺和材料，以确保石墨烯基芯片的稳定运行。总而言之，石墨烯仍然是一种相对较新的材料。为了使石墨烯真正取代硅成为芯片的主流材料，支撑器件的制造工艺和技术后续仍有许多难题需要解决。对中国来说，毫无疑问，在技术由旧变新的时刻，有机会在弯道超车。然而，需要解决的问题是，新概念在中国往往过于狂热。石墨烯在芯片等许多领域确实有巨大的潜力，但从潜力发现到产业化，我们需要的是脚踏实地的研究和公众对新技术研发失败的容忍。中国在角落里的芯片赶超不仅需要“新”材料，还需要“新”的工业-大学-研究系统和更加开放和包容的投资环境。亿配芯城 - 电子元器件网上商城，提供上1400万种电子元器件采购、集成电路价格查询及交易，集成芯片查询，保证原厂正品，是国内专业的电子元器件采购平台，ic网,电子市场网,集成芯片,电子集成电路,ic技术资料下载,电子IC芯片批发,ic交易网,电子采购网,电子元器件商城,电子元器件交易,中国电子元器件网,电子元器件采购平台,亿配芯城

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