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谁会代替硅,成为未来芯片材料的选择?

康尔信电力系统 2020-01-08 17:23 发文

近几年,硅光芯片被广为提及,从概念到产品,它的发展速度让人惊叹。硅光芯片作为硅光子技术中的一种,有着非常可观的前景,尤其是在5G商用来临之际,企业纷纷加大投入,抢占市场先机。硅光芯片的前景真的像人们想象中的那样吗?

芯片产业发展现状

在当今的信息科技时代中,芯片产业被比喻为信息产业发展的“心脏”,即提供发展动力的核心。当然,随着芯片产业的不断改善、进步与完善,如今芯片产业已经有了完整的产业链,它包括前期的设计、制造、封装以及测试等。

据了解,我国一年制造的手机、计算机以及机器人等电子设备数量高达数百亿,稳居全球第一,这也使得我国成为了全球最大的芯片需求市场。而在形势一片大好的局势下,国内芯片自给率却仅仅只有一成,换句话说,我国90%的芯片都来自于进口。此外,在物联网、自动驾驶、VR以及AI等智能终端产业的带动下,国内芯片产业迎来了长足的发展。

硅光芯片的产业化难题

芯片发展的趋势,可以简单总结为:体积更小、性能更强。要朝这个方向发展,就要让芯片单位面积上集成的元器件数量更多。元器件尺寸越小,芯片上能集成的元器件就自然越多,当然这同时也意味着更高的制造难度。

这就好比房间越来越小,但里面要装的东西却越来越多,不管采用什么样的“收纳”方式,总有一天,这个房间会“过载”。

漏电和散热不佳,就是硅芯片“过载”产生的问题。

实际上,这两个问题并不是在当前芯片制程工艺走到了7nm这一时期,才突然出现的。在硅芯片发展历程中,这样的问题也多次出现,但各大厂商都用各种方式巧妙解决了。运用新的材料,就是其中一种方法,比如用锗硅等元素作为信道的材料。但如何将不同的材料整合到硅基板上,也是一项挑战。

即使现在的7nm芯片并没有像过去预测的那样,达到硅芯片的物理极限,但硅的物理极限是必然存在的。

芯片的下一个“根本性”的突破,就是找到新的材料。

石墨烯是最突出的一个

之所以看好石墨烯,是因为它除了“二维”这个属性外,还有一个身份——碳纳米材料。早在2012年就有人说,未来半导体工业可能从“硅时代”进入“碳时代”。碳纳米材料石墨烯可能在未来代替原来的硅基材料。

碳纳米管是由石墨烯片卷成的无缝、中空的管体,导电性能极好,而且管壁很薄。因此,理论上在同样的集成度下,碳纳米管芯片能比硅芯片更小;此外,碳纳米管本身产热很少,加上有良好的导热性,因此能够减少能耗;此外,从开采成本考量,碳的分布广泛,获取成本并不高。

更重要的是,石墨烯作为人类最早发现的二维材料,其应用已经在屏幕、电池、可穿戴设备上出现,石墨烯的研究已经到了相对成熟的阶段。因此,石墨烯最为有望成为新的主流芯片材料,取代硅的地位。

目前中国自主研发的传统芯片,还在28nm到14nm制造工艺的商业化量产转化过程中,与国际先进水平还有较大的差距。但这都是建立在硅作为芯片主要材料的基础上来说的,如果未来碳纳米材料能够成为主流,那么中国是否有机会在这个节点上,实现弯道超车?

首先,中国的碳纳米管器件研究与国际前沿水平差距不大。国际上最早实现碳纳米管器件制备的是IBM,2017年IBM通过使用碳纳米管将晶体管尺寸缩小到40nm;同年,北京大学研制了120nm的碳纳米管晶体管,在0.8伏特电压下的跨导,为已发表的碳纳米管器件中的最高值。

但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着三大难题:首先,目前高纯度的石墨烯还比较难获得;其次,石墨烯晶圆的制造也十分困难,虽然现在中国已经率先实现石墨烯单晶晶圆的规模化制备,但在当前的制作工艺下,还是容易出现褶皱、点缺陷和污染的情况;最后,要让纳入器件的石墨烯能够继续保持其优良的性能,其他相关的制作工艺和材料也需要与之配套迭代,才能保证以石墨烯为原料的芯片得以稳定运行。

简单总结来说,石墨烯还是一个比较新的材料。要想让石墨烯能够真正替代硅,成为芯片的主流材料,在制造工艺以及配套器件的技术跟进上,还有许多难题需要解开。

对中国而言,在技术新旧交替的节点上,无疑存在着弯道超车的机会。但需要正视的问题是:国内对新概念往往过于狂热。石墨烯在芯片等众多领域确实大有潜力,但从发现潜力到产业化,中间需要的是脚踏实地的研究,也需要大众对新技术研发失败的包容。

中国芯片的弯道超车,不仅仅需要“新”材料,更需要的是“新”的产学研体系,以及更加开放包容的投资环境。

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