【環(huán)球時(shí)報(bào)記者 冷舒眉 曹思琦 環(huán)球時(shí)報(bào)特約記者 陳山】伴隨著新能源、5G、人工智能等新技術(shù)的爆發(fā)式發(fā)展，全球?qū)诟哔|(zhì)量半導(dǎo)體材料的芯片需求猛增。而美國近年來試圖在半導(dǎo)體芯片領(lǐng)域?qū)χ袊?ldquo;卡脖子”，更讓中國民眾對(duì)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的關(guān)注度空前高漲。近日，華為公司與哈爾濱工業(yè)大學(xué)聯(lián)合申請(qǐng)的“一種基于硅和金剛石的三維集成芯片的混合鍵合方法”專利公布，引發(fā)了科技界的廣泛關(guān)注。事實(shí)上，在新一代半導(dǎo)體材料領(lǐng)域，各國也都在紛紛發(fā)力。
金剛石半導(dǎo)體優(yōu)勢有多大
專利材料顯示，華為公司與哈爾濱工業(yè)大學(xué)聯(lián)合申請(qǐng)的這項(xiàng)發(fā)明專利實(shí)現(xiàn)了以Cu/SiO2混合鍵合為基礎(chǔ)的硅/金剛石三維異質(zhì)集成。外界分析稱，這一技術(shù)的突破之處在于，它成功地將硅和金剛石這兩種性質(zhì)迥異的材料結(jié)合在一起，開創(chuàng)了芯片制造領(lǐng)域的新思路。新興技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)芯片性能的要求越來越高，傳統(tǒng)的硅基芯片雖然在一定程度上滿足了這些需求，但在某些特定領(lǐng)域如高功率、高溫等環(huán)境下仍存在一定的局限性。而金剛石作為具有優(yōu)異熱學(xué)、電學(xué)和力學(xué)性能的材料，被認(rèn)為是下一代芯片的理想選擇之一。
在金剛石薄膜上制造的半導(dǎo)體器件
對(duì)于金剛石半導(dǎo)體寄予厚望的還有日本�！度毡窘�(jīng)濟(jì)新聞》網(wǎng)站稱，日本初創(chuàng)企業(yè)OOKUMA公司計(jì)劃將被稱為“終極半導(dǎo)體”的金剛石半導(dǎo)體推向?qū)嵱没�，最早將�?026年度投產(chǎn)。報(bào)道稱，日本佐賀大學(xué)的研究表明，與現(xiàn)在主流的硅基半導(dǎo)體相比，金剛石半導(dǎo)體可在5倍的高溫和33倍的高電壓下工作。性能也比常見的第三代半導(dǎo)體碳化硅和氮化鎵出色。這種特性讓它有望用于更高電壓環(huán)境下的純電動(dòng)汽車、高速通信及衛(wèi)星通信等領(lǐng)域。
報(bào)道稱，OOKUMA公司生產(chǎn)的金剛石半導(dǎo)體器件將首先用于福島第一核電站的核廢料處理。為查看和清理福島第一核電站堆芯熔毀后留下的熔融燃料，只有耐受極高輻射強(qiáng)度的機(jī)器人才能勝任。但普通半導(dǎo)體器件在這種極端環(huán)境下的壽命非常短，而OOKUMA公司發(fā)現(xiàn)，金剛石半導(dǎo)體器件在450攝氏度的高溫和輻射強(qiáng)度極高的惡劣環(huán)境下也能正常工作。此外，為保護(hù)半導(dǎo)體器件免受強(qiáng)輻射和高溫環(huán)境的影響，原本需要用沉重的鉛包裹機(jī)器人的核心部分，并配備專門的冷卻裝置，而配備金剛石半導(dǎo)體后，就可以省去這些裝置，從而減輕機(jī)器人重量，提高工作效率。OOKUMA公司計(jì)劃以處理核電站廢堆為契機(jī)量產(chǎn)金剛石半導(dǎo)體。為力爭應(yīng)用于衛(wèi)星通信，該公司與三菱電機(jī)等啟動(dòng)了聯(lián)合研究。年內(nèi)還將與日本廠商推進(jìn)用于純電動(dòng)汽車器件的開發(fā)。
第三代半導(dǎo)體材料高速發(fā)展
金剛石半導(dǎo)體是如今備受關(guān)注的第三代半導(dǎo)體材料之一。西北工業(yè)大學(xué)深圳研究院博士后李穎銳對(duì)《環(huán)球時(shí)報(bào)》記者介紹說，半導(dǎo)體是一系列常溫下導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體與絕緣體之間的材料的總稱，常見的半導(dǎo)體材料有硅、鍺、砷化鎵等。半導(dǎo)體的導(dǎo)電性具有可控性，可以通過添加雜質(zhì)（摻雜）或改變溫度來調(diào)整其導(dǎo)電性能。運(yùn)用半導(dǎo)體材料的特點(diǎn)，能夠制作出通過一個(gè)端口的電壓或電流控制另一個(gè)端口電壓或電流的半導(dǎo)體器件晶體管。將晶體管與電阻、電容以及其他無源器件的元件相互連接，就形成了一個(gè)集成電路。而芯片的本質(zhì)是在半導(dǎo)體襯底上（也稱作“晶圓”）制作能實(shí)現(xiàn)一系列特定功能的集成電路。
據(jù)介紹，第一代半導(dǎo)體材料是指硅、鍺為代表的元素半導(dǎo)體材料，應(yīng)用極為普遍，目前90%以上的半導(dǎo)體產(chǎn)品是用硅基材料制作的；第二代半導(dǎo)體材料是以砷化鎵、磷化銦為代表的化合物材料。李穎銳認(rèn)為，從材料的角度說，未來發(fā)展方向必然是寬禁帶半導(dǎo)體。禁帶寬度是半導(dǎo)體的一個(gè)重要特征參量，其大小主要決定于半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)，即與晶體結(jié)構(gòu)和原子的結(jié)合性質(zhì)等有關(guān)。禁帶寬度決定了半導(dǎo)體在不同溫度和電場下的導(dǎo)電性能，寬禁帶半導(dǎo)體能夠在更高的溫度、電壓和頻率下運(yùn)行，從而降低損耗、提高效率，這一優(yōu)勢對(duì)于新能源汽車和5G通信、航天航空和軍事系統(tǒng)等領(lǐng)域尤其重要，也可以應(yīng)用于更復(fù)雜的環(huán)境。寬禁帶半導(dǎo)體一般被稱作第三代半導(dǎo)體，主要包括碳化硅、氮化鎵、氧化鋅、金剛石、氮化鋁等，優(yōu)點(diǎn)是禁帶寬度大（>2.2ev）、擊穿電場高、熱導(dǎo)率高、抗輻射能力強(qiáng)、發(fā)光效率高、頻率高，可用于高溫、高頻、抗輻射及大功率器件，也是目前各國大力發(fā)展的新型半導(dǎo)體器件。
氮化鎵晶圓
例如已開始廣泛應(yīng)用的碳化硅半導(dǎo)體器件，相比第一代和第二代半導(dǎo)體材料，擁有良好的耐熱性、耐壓性和極低的導(dǎo)通能量損耗，是制造高壓功率器件與高功率射頻器件的理想材料。而另一種開始大規(guī)模普及的氮化鎵材料，可以顯著增強(qiáng)半導(dǎo)體的性能和設(shè)計(jì)。與其他材料相比，它可以在更高的頻率下以更高的效率支持更高的增益。氮化鎵具備出色的熱性能以及更高的擊穿電壓，這使得設(shè)計(jì)和制造體積更孝更薄，又不會(huì)影響功耗、可靠性或安全性的半導(dǎo)體材料成為可能。在萬物互聯(lián)的5G物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，這是不容忽視的優(yōu)勢。
新興材料日益獲得關(guān)注
除了第三代半導(dǎo)體材料外，還有更多的新興材料也日益獲得關(guān)注。2023年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)被授予“發(fā)現(xiàn)和合成量子點(diǎn)”的三名科學(xué)家。所謂量子點(diǎn)是一類微小顆�；蚣{米晶體，即直徑在2-10納米之間的半導(dǎo)體材料，是導(dǎo)帶電子、價(jià)帶空穴及激子在三個(gè)空間維度上束縛住的半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)。除了在顯示和照明領(lǐng)域的應(yīng)用外，諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)委員會(huì)稱，未來量子點(diǎn)還有望在量子計(jì)算、柔性電子產(chǎn)品、微小傳感器、更薄的太陽能電池等領(lǐng)域做出貢獻(xiàn)。
此外，石墨烯等二維材料在半導(dǎo)體領(lǐng)域的應(yīng)用也受到廣泛研究。石墨烯是一個(gè)由單層碳原子組成的二維材料，它具有出色的電子遷移率和熱導(dǎo)率。這種材料的獨(dú)特性質(zhì)為未來的電子設(shè)備提供了新的可能性，如超快速的傳輸器件和高度集成的傳感器。
下一代芯片需要半導(dǎo)體材料的突破式發(fā)展。
除了材料外，通過其他方面的技術(shù)突破，也有望進(jìn)一步推動(dòng)半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步。李穎銳研究團(tuán)隊(duì)近期推出了新一代半導(dǎo)體光子計(jì)數(shù)成像系統(tǒng)，打破了國外的技術(shù)封鎖，空間分辨率由毫米級(jí)提升到微米級(jí)，實(shí)現(xiàn)了真正意義的彩色成像。這背后主要依托于團(tuán)隊(duì)對(duì)影響光子計(jì)數(shù)應(yīng)用的三大技術(shù)進(jìn)行了突破，其中包含晶體材料、ASIC專用讀出芯片、多能譜成像算法，在晶體解決方案領(lǐng)域達(dá)到了國際上的先進(jìn)水平。
面臨摩爾定律增速放緩等難題，清華大學(xué)自動(dòng)化系戴瓊海院士團(tuán)隊(duì)近日提出了一種“掙脫”摩爾定律的全新計(jì)算架構(gòu)：光電模擬芯片。視覺任務(wù)中實(shí)測，其算力達(dá)到目前高性能商用芯片的3000余倍。研究團(tuán)隊(duì)在接受《環(huán)球時(shí)報(bào)》記者采訪時(shí)介紹稱，全新的計(jì)算框架從最本質(zhì)的物理原理出發(fā)，結(jié)合了基于電磁波空間傳播的光計(jì)算，與基于基爾霍夫定律的純模擬電子計(jì)算，“掙脫”傳統(tǒng)芯片架構(gòu)中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速度、精度與功耗相互制約的物理瓶頸，在一枚芯片上突破了大規(guī)模計(jì)算單元集成、高效非線性、高速光電接口三個(gè)難題。
