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在我們的日常生活中，硅早已是無(wú)處不在的隱形力量——從智能手機(jī)到筆記本電腦，再到汽車(chē)和家用電器，硅基半導(dǎo)體驅(qū)動(dòng)著現(xiàn)代電子世界。
然而，隨著硅基半導(dǎo)體逐漸接近其物理極限，以及人們對(duì)更輕便、更柔性和更節(jié)能設(shè)備需求的不斷增加，非硅基材料正悄然嶄露頭角。想象一下，可以彎曲的手機(jī)屏幕、貼在皮膚上的智能傳感器，甚至是可隨身攜帶的超薄太陽(yáng)能電池，這些未來(lái)科技的實(shí)現(xiàn)，或許正依賴(lài)于這些“非硅”新材料。
此次，香港城市大學(xué)電子工程學(xué)院的Steven博士，為我們解析了當(dāng)前非硅基材料類(lèi)型與發(fā)展現(xiàn)狀。
非硅基材料有哪些？
硅基半導(dǎo)體在過(guò)去幾十年里極大地推動(dòng)了電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，但在面臨現(xiàn)代應(yīng)用需求時(shí)，其物理特性逐漸成為限制。Steven表示，隨著晶體管尺寸逐漸接近納米級(jí)，使得傳統(tǒng)摩爾定律中通過(guò)縮小尺寸來(lái)提升速度和能效的方式變得越來(lái)越困難。此外，隨著集成電路的集成度提高，硅基材料在高溫下性能下降，電子遷移率也相對(duì)較低，也導(dǎo)致了硅基材料如高頻、高溫、高功率等場(chǎng)景中的性能受限。
許多非硅基材料在這些場(chǎng)景中表現(xiàn)更好，可以提供更高的電子遷移率、導(dǎo)熱性和柔韌性，從而使其成為高性能和柔性電子器件的理想選擇。以下是一些目前被應(yīng)用和研究得比較多的非硅基材料類(lèi)型。
01、碳基材料
碳基半導(dǎo)體是以碳元素為主要構(gòu)成的材料，具有半導(dǎo)體特性。碳基半導(dǎo)體因其獨(dú)特的物理特性和優(yōu)異的導(dǎo)電性能而備受關(guān)注，被認(rèn)為在未來(lái)電子、光電和量子器件領(lǐng)域有巨大發(fā)展?jié)摿?。主要包括?/p>
- 碳納米管（CNT）：具有極高的電子遷移率和強(qiáng)度，能夠?qū)崿F(xiàn)更快的電子傳輸，且具有柔韌性，適用于柔性電子設(shè)備和納米級(jí)器件。石墨烯：石墨烯是一種單層碳原子構(gòu)成的二維材料，擁有極高的導(dǎo)電性和熱導(dǎo)性。石墨烯適用于透明電子器件、傳感器、光電器件以及高頻電子器件。
02、化合物半導(dǎo)體材料
不同于硅（Si）這樣的單一元素半導(dǎo)體，化合物半導(dǎo)體是由兩種或多種不同元素組成的半導(dǎo)體材料，具有寬帶隙、高電子遷移率和優(yōu)異的光電特性，使其能夠在高溫、高頻及光電應(yīng)用中表現(xiàn)出色。主要包括：
砷化硼（BAs）：具有高熱導(dǎo)率、寬帶隙和優(yōu)良的熱穩(wěn)定性等特點(diǎn)。在當(dāng)前的半導(dǎo)體材料中，其高熱導(dǎo)率尤為突出，使其成為散熱材料的潛在選擇，特別適用于功率電子、射頻電子器件和散熱管理。
03、有機(jī)半導(dǎo)體材料
有機(jī)半導(dǎo)體材料是一類(lèi)基于碳的有機(jī)化合物，具有半導(dǎo)體特性，廣泛應(yīng)用于柔性電子、光電器件、顯示技術(shù)等領(lǐng)域。主要包括：
有機(jī)導(dǎo)電聚合物：這類(lèi)材料柔性好、成本低，適用于柔性顯示、可穿戴設(shè)備以及有機(jī)光伏電池等。雖然其電子遷移率較低，但在需要輕量、柔性電子器件的場(chǎng)景中顯示出巨大的潛力，具體包括聚苯胺、聚噻吩等。
- 有機(jī)小分子半導(dǎo)體：由相對(duì)較小的分子組成，通常具有較高的電子遷移率，容易通過(guò)真空蒸鍍法等工藝成膜，具體包括聚芴、并五苯等。
04、其他新興材料
此外，以下新興的半導(dǎo)體材料在不同的應(yīng)用場(chǎng)景也有著極高的應(yīng)用潛力：
氧化鋅（ZnO）：具有獨(dú)特的光學(xué)和電子特性，在紫外光檢測(cè)、透明電子學(xué)和傳感器中有潛在應(yīng)用。
二硫化鉬（MoS?）：是一種二維過(guò)渡金屬硫化物，在超薄場(chǎng)效應(yīng)晶體管和柔性電子學(xué)中顯示出潛力。
黑磷（Black Phosphorus）：帶隙在0.3至2eV之間可調(diào)，適合短波紅外探測(cè)和柔性電子器件應(yīng)用。
非硅基半導(dǎo)體材料的應(yīng)用
非硅基半導(dǎo)體材料在電子、光電、儲(chǔ)能、傳感和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。其中，碳基和寬帶隙半導(dǎo)體近年來(lái)取得了顯著進(jìn)展，而在柔性半導(dǎo)體領(lǐng)域，許多非硅基材料也發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。
碳基半導(dǎo)體：高效、柔性與環(huán)保的未來(lái)材料
碳基半導(dǎo)體材料在結(jié)構(gòu)和電性能上展現(xiàn)出極高的電子遷移率，使其能夠提供更快的電子傳輸速度和高效的信號(hào)處理能力。此外，碳基材料的二維結(jié)構(gòu)具備無(wú)帶隙的特殊導(dǎo)電性，使其在光電探測(cè)器和場(chǎng)效應(yīng)晶體管等設(shè)備中具有更靈活的應(yīng)用。與硅的脆性相比，碳基半導(dǎo)體材料還具備優(yōu)異的機(jī)械柔性和強(qiáng)度，非常適合制造可彎曲的柔性電子設(shè)備。此外，這類(lèi)材料具有良好的生物相容性和低毒性，制造過(guò)程也更加環(huán)保。
目前，碳基半導(dǎo)體技術(shù)在多個(gè)行業(yè)展示出巨大的應(yīng)用潛力，尤其是在電子器件、光電設(shè)備、能源儲(chǔ)存和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，開(kāi)始顯現(xiàn)出替代傳統(tǒng)硅基半導(dǎo)體的可能性。例如：
01、在電子器件方面
研究人員已成功開(kāi)發(fā)出基于石墨烯和碳納米管的晶體管，去年北大團(tuán)隊(duì)制造出的90納米碳納米管，其性能已可與45納米的傳統(tǒng)硅基芯片相媲美。
02、在光電設(shè)備方面
石墨烯透明導(dǎo)電膜的應(yīng)用使得柔性和透明顯示器成為現(xiàn)實(shí)，這些顯示屏不僅可以彎曲，還能保持較高的電子傳輸效率，已在柔性OLED顯示屏和智能手機(jī)觸控屏中進(jìn)行應(yīng)用試驗(yàn)。
03、在能源儲(chǔ)存領(lǐng)域
石墨烯超級(jí)電容器能夠?qū)崿F(xiàn)更快的充放電速度和更長(zhǎng)的循環(huán)壽命，廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)和再生能源儲(chǔ)存等領(lǐng)域。
此外，石墨烯和碳納米管生物傳感器因其高靈敏度和低毒性等特性，在體液檢測(cè)和血糖監(jiān)測(cè)等生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)中展現(xiàn)了廣泛的應(yīng)用潛力。
今年7月，北京大學(xué)宣布成功研發(fā)出了世界首個(gè)基于碳納米管的張量處理器芯片，該芯片集成了3,000個(gè)碳納米管晶體管，特別適用于卷積運(yùn)算和大規(guī)模矩陣乘法。這也意味著碳基材料研究開(kāi)始從器件走向了更為系統(tǒng)化的階段。
寬帶隙半導(dǎo)體：高效能與高溫環(huán)境的理想選擇
寬帶隙材料因其高功率、高頻率、耐高溫和高耐壓等特性，廣泛應(yīng)用于功率電子、射頻器件和光電器件中。這些材料在高效能和耐高溫的電子設(shè)備中發(fā)揮著不可替代的作用，逐漸成為電力電子和射頻通訊等領(lǐng)域的關(guān)鍵材料，推動(dòng)了多個(gè)行業(yè)的技術(shù)升級(jí)和性能優(yōu)化。
例如，碳化硅和氮化鎵目前已廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)和充電站，其高效率和高耐壓特性顯著提升了電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航里程和充電速度，同時(shí)減少了能量損耗和熱管理需求。在太陽(yáng)能光伏、風(fēng)力發(fā)電和智能電網(wǎng)應(yīng)用中，寬帶隙材料被用于逆變器和電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，有效提高了電能轉(zhuǎn)換效率并減少了能量損耗。氮化鎵因其高頻特性和低功耗，目前也被廣泛應(yīng)用于5G基站、雷達(dá)系統(tǒng)和衛(wèi)星通信中。
柔性半導(dǎo)體：讓電子產(chǎn)品走向輕便和多樣化
Steven提到，除了碳基和寬禁帶材料，許多非硅基材料也被廣泛應(yīng)用于柔性半導(dǎo)體制造。柔性半導(dǎo)體是指能夠彎曲、折疊或拉伸的電子器件，常用于柔性顯示屏、可穿戴設(shè)備、電子皮膚和智能醫(yī)療設(shè)備等。這些材料相比傳統(tǒng)剛性半導(dǎo)體，能更好地適應(yīng)不規(guī)則表面和運(yùn)動(dòng)環(huán)境。
硅基材料因其固有的剛性和脆性，在彎曲或拉伸時(shí)容易斷裂，難以滿(mǎn)足柔性半導(dǎo)體對(duì)柔韌性的要求。相對(duì)而言，有機(jī)半導(dǎo)體和碳基材料等非硅基材料不僅可以在低溫下加工，還具備良好的柔性和輕量化特性，成為柔性半導(dǎo)體的理想選擇。
目前，柔性半導(dǎo)體技術(shù)已廣泛應(yīng)用于柔性顯示器、可穿戴設(shè)備、電子皮膚和柔性太陽(yáng)能電池等領(lǐng)域。通過(guò)將氧化物半導(dǎo)體或有機(jī)半導(dǎo)體應(yīng)用于顯示面板，屏幕可以實(shí)現(xiàn)彎曲或折疊。使用石墨烯或碳納米管制成的柔性傳感器，能夠模擬人體皮膚的觸覺(jué)感知，應(yīng)用于機(jī)器人觸覺(jué)、假肢和醫(yī)療設(shè)備中。
此外，有機(jī)半導(dǎo)體和二維材料可集成在建筑物、窗戶(hù)和服裝表面，為移動(dòng)電子設(shè)備提供可持續(xù)電源?；谔技{米管和有機(jī)半導(dǎo)體的柔性晶體管，使可折疊、卷曲的電子設(shè)備設(shè)計(jì)更加多樣化，推動(dòng)了可穿戴設(shè)備和下一代便攜式電子產(chǎn)品的發(fā)展。
非硅基材料的商用挑戰(zhàn)
基于非硅基材料具備的柔韌性、輕量性和低溫加工特性，它們?cè)谌嵝噪娮拥忍囟☉?yīng)用中展現(xiàn)出替代硅基材料的潛力。然而，Steven指出，目前非硅基材料主要應(yīng)用于集成度要求較低的領(lǐng)域，如汽車(chē)電子、柔性顯示屏、可穿戴設(shè)備和分布式能源等。對(duì)于手機(jī)芯片和CPU等復(fù)雜制造系統(tǒng)，硅基材料仍占主導(dǎo)地位。非硅基材料面臨一系列技術(shù)和市場(chǎng)挑戰(zhàn)，主要包括：
性能局限性：非硅基材料的電子遷移率和穩(wěn)定性通常低于硅，難以滿(mǎn)足高速計(jì)算、存儲(chǔ)和大功率應(yīng)用的嚴(yán)苛要求。例如，盡管石墨烯和碳納米管具有高遷移率，但在復(fù)雜晶體管電路中難以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制。有機(jī)半導(dǎo)體因其分子結(jié)構(gòu)的局限性，在高頻或高功率應(yīng)用中表現(xiàn)不佳。此外，非硅基材料在環(huán)境穩(wěn)定性方面較弱，易受濕氣、氧化和溫度變化影響。
制造工藝欠成熟：硅基半導(dǎo)體經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，已形成成熟的制造體系，包括龐大的供應(yīng)鏈和技術(shù)生態(tài)，能夠?qū)崿F(xiàn)高質(zhì)量和低成本的大規(guī)模生產(chǎn)。而非硅基材料的制造工藝和供應(yīng)生態(tài)仍處于早期階段，許多材料難以與現(xiàn)有硅基工藝兼容，且制造過(guò)程中常涉及新技術(shù)，導(dǎo)致流程復(fù)雜、成本高。市場(chǎng)接受度和標(biāo)準(zhǔn)化不足：非硅基材料的市場(chǎng)尚不成熟，應(yīng)用仍處于試驗(yàn)和探索階段，許多潛在用戶(hù)對(duì)其性能和穩(wěn)定性存在疑慮。同時(shí)，非硅基材料的標(biāo)準(zhǔn)化體系尚未建立，產(chǎn)品規(guī)格、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)試方法等缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，給下游企業(yè)帶來(lái)不確定性。
Steven認(rèn)為，非硅基材料的某些特性有效補(bǔ)充了硅基材料，并拓寬了半導(dǎo)體的應(yīng)用邊界，但硅基半導(dǎo)體的主導(dǎo)地位仍然不可動(dòng)搖。未來(lái)，兩者可能會(huì)并行發(fā)展并實(shí)現(xiàn)混合集成。
參考資料
[1]?https://cbic.pku.edu.cn/info/1017/1297.htm
[2]?https://www.nepconchina.com/zh-cn/mtzx/hyxw/2023/6yue/52.html
[3?https://scitechdaily.com/mit-discovers-semiconductor-that-can-perform-far-better-than-silicon/
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