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    半导体材料频频迎来新进展,下一个十年将是“材料时代”
    发布日期:2024-01-20 访问量:265

    近日,天津大学纳米颗粒与纳米系统国际研究中心的马雷团队攻克了长期以来阻碍石墨烯电子学发展的关键技术难题,创造了一种新型稳定的半导体石墨烯,再次引发行业对石墨烯的关注。


    事实上,在摩尔定律逼近极限之际,通过半导体材料创新提升集成电路性能早已成为行业关注的焦点。此前,继荷兰ASML、日本佳能相继官宣2nm制造设备最新进展后,一众半导体制造材料厂商纷纷表示:未来十年,半导体制造材料领域将迎来“黄金时代”。


    柔性线路板原料石墨烯


    下一个十年是“材料时代”


    德国默克集团电子业务CEO凯・贝克曼说,现在电子行业正在从过去二十年里依靠工具推进技术的时代,转向“材料时代”的下一个十年。半导体2nm时代,制程工艺逐渐逼近物理极限,简单依赖更小的尺寸、更高的集成度实现集成电路更新迭代的方式已难以为继。


    在半导体材料制造商英特格CEO詹姆斯·奥尼尔看来,三十年前,先进生产工艺需要利用光刻机制备更小尺寸的晶体管,进而提升半导体性能,但当前,材料创新已成为半导体性能提升的主要驱动力;凯・贝克曼支持这一观点,认为尽管光刻工具非常重要,但现在更重要的是半导体材料。


    石墨烯原料


    具体而言,芯片内部晶体管的设计和堆叠日渐复杂,芯片制造已经接近原子尺度的极限,未来半导体的发展不能仅仅依赖光刻技术,也需要新材料来共同推进。这一点在2nm时代显得更为重要。


    “2nm制程的芯片代工制造,对半导体材料性能提出了更高的挑战。”赛迪研究院高级工程师池宪念向《中国电子报》记者表示,“一是在光刻方面需要光刻胶及辅材满足更小线宽制造的需求;二是在小线宽布线方面需要接触电阻低、较宽温度范围内热稳定好、附着好、横向均匀、扩散层薄等性能更高的金属材料;三是在精细化硅晶圆加工和清洗方案方面,需要更多超细抛光材料和高纯特气等先进半导体材料。”


    柔性传感器


    理论概念中的“完美设计”无远弗届,现实中的芯片制造却存在物理边界。无论是针对设计愈发复杂的逻辑芯片,从传统的平面型晶体管到鳍式场效应晶体管(FinFET),再到全环绕栅极晶体管(Gate-All-Around FET)的多级跨越;还是存储芯片在3D NAND领域的激烈竞争,以更多的芯片堆叠层数争取更大的储存容量,就像现在三星、SK海力士和美光等厂商生产的芯片层数已突破230层,正向300乃至更多层发起冲锋。这两个领域能否取得进一步发展,都不再简单依赖光刻设备的升级,也呼唤着全新的尖端材料。


    当制造工艺和设备的“内卷”逼近天花板,半导体材料有望成为行业的下一个风口。詹姆斯·奥尼尔将当前生产3D晶体管芯片比喻成“在直升机上给建筑喷漆”,需要将创新材料“均匀地覆盖顶部、底部和侧面”,目前材料行业正在想办法从原子尺度上实现这一点。


    基于石墨烯原料的芯片


    第一个石墨烯半导体诞生

    就在1月4日,一篇重磅的论文在《自然》杂志上发表,宣布了世界上第一个由石墨烯制成的功能半导体的诞生。这一创造性的发明,为石墨烯电子学的实用化迈出了坚实的一步,也为未来的芯片技术开辟了新的可能性。这项研究是由美国佐治亚理工学院提出并指导,由中国天津大学的研究团队承担了主要的研究和攻关工作。其实,这个石墨烯半导体早在2021年下半年就已经成功研制出来了,但是经过了两年多的验证和修改,直到2024年初才正式向全世界公布。


    在寻找新型半导体材料的过程中,石墨烯无疑是一种极具吸引力的候选者。石墨烯是由单层碳原子紧密排列成蜂窝状结构的二维材料,它与硅一样丰富廉价,而且拥有许多令人惊叹的性质,如高导电性、高导热性、高强度和高透明性等。这些性质使得石墨烯有望用于制造更小、更快、更节能的电子器件,从而推动半导体技术的革命。然而,石墨烯的半导体应用并非一帆风顺,它还面临着一些重大的技术难题,例如如何在大面积上制备高质量的石墨烯,以及如何调节石墨烯的带隙和载流子浓度等。带隙是指半导体材料中价带和导带之间的能量差,它决定了半导体的导电性和光电性。石墨烯的一个缺点是它没有带隙,也就是说它不能像普通的半导体那样通过外加电压或光照来控制电流的开关,这限制了它在数字电路和光电器件中的应用。这就是为什么这篇论文的发表引起了广泛的关注,因为它展示了一种创新的方法,利用外延石墨烯与碳化硅之间的化学键合,实现了石墨烯的半导体化。


    外延石墨烯是指在碳化硅晶体上生长的一层石墨烯,它的下面与碳化硅中的碳原子形成了共价键。这样,碳化硅对石墨烯的能带结构产生了显著的影响,导致了石墨烯的能带出现了分裂,形成了带隙。这个带隙经过测量大约是0.6电子伏特,也就是说石墨烯中的电子要想从价带跃迁到导带,就需要克服0.6电子伏特的能量差,这样就可以实现电流的开关控制。这个带隙的产生是由于原来在石墨烯中自由传输的π电子受到了碳化硅的限制,失去了金属性质,变成了绝缘体,也就是说它不再导电了。那么怎么能够让它恢复导电性呢?有两种方法,一种是施加一定的能量,比如说光照或者加热,让电子获得足够的动能,跨越0.6电子伏特的能障,从价带跃迁到导带,另一种是通过掺杂其他元素,形成高浓度的载流子,改变石墨烯的电子结构。在这个外延石墨烯中,研究者是通过掺杂氧气来实现这一目的的,从而让石墨烯具备了导电性,形成了一个P型半导体。


    P型半导体的意思就是说价带中有很多带正电荷的空穴,这些空穴可以吸引电子跳到其中,从而形成一种电流。在场效应晶体管(FET)的形态下,研究者对这种半导体石墨烯进行了实际的测量,发现它的迁移率高达5000平方厘米福特每秒,这是硅的十倍,也是其他二维半导体的20倍之多。迁移率是指载流子的移动速率,迁移率越高,意味着这种材料制作的半导体器件的开关速度就可以做到很快,而且能耗更低。而且,由于是一种二维材料,它也具有很小的体积尺寸和机械柔韧性,可以让器件变得更小,设计上更灵活。这种方法的优点是,它不需要转移石墨烯到其他基底,而是直接在碳化硅上实现石墨烯的半导体化,从而避免了转移过程中可能产生的缺陷和污染,保证了石墨烯的高质量和高性能。


    此外,这种方法还可以通过改变碳化硅的晶面方向,调节石墨烯的带隙大小,从而实现不同的半导体特性。然而这种方法也有缺点,它需要高温的化学气相沉积过程,而且碳化硅的价格比普通的硅基底要高,这些都会增加石墨烯的制造成本和难度。因此,这种方法还需要进一步的优化和改进,以提高石墨烯的生长速率和均匀性,降低石墨烯的制造成本和复杂度,才能实现石墨烯的规模化生产和应用。


    超原子材料:下一代半导体的速度之王

    半导体材料一直以来都扮演着电子设备的心脏角色,而硅则是当前主要的半导体材料。然而,硅却存在一些缺陷,限制了未来更高效的半导体元件的需求。最近,哥伦比亚大学的科学家们取得了一项重大突破,他们发现了一种新型的"超原子"材料,创造出有史以来速度最快、效率最高的半导体记录。


    硅是目前最广泛使用的半导体材料,但硅本身的电子和电洞迁移速度在未来很难满足更高效的半导体元件需求。


    在任何材料中,原子晶格结构都会发出微小振动并以声子形式传播,后者能散射电子或携带能量的粒子,如激子。当声子与电洞相互作用,会导致半导体内的能量以热能方式散失,从而限制了能量和信息传输速度,这是该领域一直未能解决的难题。


    然而,哥伦比亚大学的团队最近在实验室中成功合成了一种新型材料,由铼、硒、氯混合而成,被命名为Re6Se8Cl2。这些原子凝聚在一起,表现出类似"超原子"的行为,其半导体性能优于目前已知的任何半导体材料。


    研究人员发现,Re6Se8Cl2中的激子不会像在其他材料中一样被声子撞击而散射,相反,它们与声子结合,形成了一种新的准粒子,称为声激子-极化子。尽管这些准粒子的行进速度较一般激子慢,但与硅相比,它们不受声子散射的干扰,可以传输更快的电子。


    可以将这种现象简单地解释为龟兔赛跑。在硅中,电子快速穿越时常常受到反弹和分散的影响,导致能量以热的方式浪费。然而,Re6Se8Cl2中的极化子在传输过程中不受其他声子的影响,随着时间的推移,它们移动得更远,更快。


    具体而言,以从点A传输到点B所需的时间来衡量,Re6Se8Cl2中的极化子传输速度实际上是硅中电子速度的两倍。

    研究人员认为,使用这种材料制造的电子设备理论上速度将提高6个数量级,而且还可以在室温下工作。


    然而,由于铼等材料的稀缺和高昂,这种特殊混合物材料很难投入市场,尤其是用于消费品。但研究团队相信,未来可能会出现类似且更便宜的"超原子"材料,或者可以使用更低成本的技术来制备Re6Se8Cl2,这将大大提高计算机芯片的运行速度。


    第三代半导体未来前景有多大?


    近年来,以碳化硅、氮化镓为主的第三代半导体材料需求爆发,成为资本市场追逐的对象。如今,以氧化镓为代表的第四代半导体材料的闪亮登场,有望成为半导体赛道的新风口。


    根据日本氧化镓企业FLOSFIA预计,2025年氧化镓功率器件市场规模将开始超过氮化镓,2030年达到15.42亿美元(约人民币100亿元),达到碳化硅的40%,达到氮化镓的1.56倍。


    单看新能源车市场,2021年全球新能源车销量650万辆,新能源汽车渗透率为14.8%,而碳化硅的渗透率为9%,随着新能源车的渗透率提高,市场规模将逐步扩大,目前碳化硅、氮化镓还远未达到能够左右市场的程度,相比之下氧化镓的发展窗口非常充裕。


    在射频器件市场,氧化镓的市场容量可参考碳化硅外延氮化镓器件的市场。碳化硅半绝缘型衬底主要用于5G基站、卫星通讯、雷达等方向,2020年碳化硅外延氮化镓射频器件市场规模约8.91亿美元,2026年将增长至22.22亿美元(约人民币150亿元)。


    从应用领域来看,氧化镓在以下方面将会得到长远发展:


    1.功率电子

    氧化镓功率器件跟氮化镓、碳化硅有部分重合,在军民应用领域有广泛的应用前景。在军用领域可用于高功率电磁炮、坦克战斗机舰艇等电源控制系统以及抗辐照、耐高温宇航用电源等,可大幅降低武器装备系统损耗,减小热冷系统体积和重量,满足军事应用部件对小型化、轻量化、快速化与抗辐照耐高温的要求;在民用领域可用于电网、电力牵引、光伏、电动汽车、家用电器、医疗设备和消费类电子等领域,能够实现更大的节能减排;


    2.衬底材料

    氧化镓能通过提拉法快速制备,是一种有潜力的衬底材料,可用来制备大功率GaN基LED,也可以利用同质外延制备新型氧化镓基功率电子器件;


    3.透明导电氧化物薄膜

    氧化镓晶体化学性质稳定,不易被腐蚀,机械强度高,高温下性能稳定,有高的可见光和紫外光的透明度,尤其是其在紫外和蓝光区域透明,这是传统的透明导电材料所不具备的,因此β——Ga2O3单晶可以成为新一代透明导电材料,在太阳能电池、平板显示技术上得到应用;


    4.日盲紫外光探测器及气体传感器

    由于氧化镓高温下性能稳定,有高的可见光和紫外光的透明度,尤其是在紫外和蓝光区域透明,因此日盲紫外探测器是目前氧化镓比较确定的一条应用路线。