自1954年以來，硅一直是先進技術發(fā)展的重要基石。人們普遍認為，硅作為電子元件基礎結構核心材料的地位不可動搖。但根據(jù)摩爾定律，硅也有局限性。因此，自初次使用硅作為半導體原材料以來，業(yè)界一直在尋找替代材料。

迄今為止，沒有哪種材料能夠像硅一樣兼具多元化特性，半導體行業(yè)大規(guī)模投資硅材料也預示著其長期存在的必然性。但事實上，半導體材料非常豐富，并且能夠為微電子的不同領域帶來寶貴價值。要知道，第一個晶體管使用的不是硅，而是鍺。如今，許多替代材料正與硅一起扮演重要角色，在消費技術持續(xù)向電氣化轉變的過程中，這一點尤為突出。半導體材料專家深知，問題不在于用一種材料替代另一種材料，而是為具體應用選擇更合適的材料，幫助滿足性能、效率、穩(wěn)健性等要求。

接下來將提到兩種頗有前景的半導體替代材料，并將圍繞其適用范圍以及優(yōu)缺點展開詳細介紹。

適合極端環(huán)境的解決方案

與硅相比，寬禁帶半導體材料具有一系列優(yōu)勢。這些材料可在更高的電壓和溫度下工作，能夠開啟更高的通信信道并在更多樣的環(huán)境中正常運行，有時甚至適用于極端環(huán)境，也因此成為了創(chuàng)新的重要驅(qū)動力。寬禁帶材料有助于實現(xiàn)更快、更小、更高效且更可靠的器件設計，從而能為功率和射頻電子應用帶來益處。

氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）是目前比較常用的兩種寬禁帶半導體材料。這兩者在20世紀80年代末因藍光LED的開發(fā)走向商業(yè)化，并因其較大的能隙尺寸而成為可能（能隙是指半導體中電子的價帶與導帶之間的能量區(qū)間）。氮化鎵在生長工藝上相較于碳化硅取得的突破，使其在光學技術領域得到了廣泛應用，例如在藍光DVD播放器中的使用，并因此在2014年獲得了諾貝爾物理學獎的肯定。

寬禁帶半導體材料除了具備較大的能隙特性之外，還擁有極高的熱導率，這意味著它們能夠更有效地散熱，進而提升設備的運行效率，因為較低的工作溫度有利于設備性能的優(yōu)化。這些材料能夠耐受更高的電場和高溫環(huán)境，使它們在功率電子領域的應用尤為吸引人，尤其是在設計逆變器、電源以及電機驅(qū)動系統(tǒng)等方面。在汽車領域，例如電動汽車（EVs）和插電式混合動力汽車等，GaN和SiC為功率器件帶來的性能特性極大地提升了它們的應用價值。

除了應用于LED和功率電子元件，GaN還是射頻放大器等高頻器件的重要材料，推動了無線通信和5G網(wǎng)絡的發(fā)展。

此外，SiC材料非常堅硬，具有出色的機械穩(wěn)定性，并且材料成本比較低，能夠在許多行業(yè)中大放異彩，甚至能用于制造磨料和切割工具的領域中。

潛力巨大但非常復雜

在許多方面，GaN和SiC在半導體行業(yè)中的應用復雜度都比傳統(tǒng)硅材料更高。GaN難以廣泛采用的主要問題在于其可靠性和成本。

對比硅的1.12電子伏，氮化鎵的能隙高達3.4電子伏，這一特性使其在高功率及高頻率設備上有著天然的適用性。然而，在生長過程中，GaN易出現(xiàn)缺陷和位錯，這可能會影響器件的可靠性。此外，生產(chǎn)大面積的GaN基晶圓既困難又成本巨大。為解決這些問題，眾多研究者致力于研發(fā)將GaN集成至硅晶圓的技術，這涉及到將兩種不同晶體結構以盡量避免產(chǎn)生位錯和缺陷的方式相結合。這一任務極具挑戰(zhàn)性，且可能有晶圓裂紋的風險。

碳化硅的硬度及其脆性特點，使其生產(chǎn)過程面臨諸多挑戰(zhàn)。該材料在生長和加工過程中需在較高溫度下長時間耗能。特別是在使用廣泛的4H-SiC晶體結構時，由于其高透明度和高折射率的特性，使得在檢測過程中發(fā)現(xiàn)表面缺陷尤為困難。

半導體仿真的新時代

前景廣闊的半導體材料數(shù)不勝數(shù)，GaN和SiC只是其中的兩種。我們預期將不斷見證新型材料及其應用的涌現(xiàn)，這些材料將利用諸如自旋電子學、鐵電性質(zhì)或相變材料等新穎物理學原理，在替代性存儲器件設計等領域發(fā)揮作用。

在探索石墨烯之外的二維材料方面，研究者們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了新的材料種類，比如過渡金屬硫?qū)倩衔飭畏肿訉樱═MDs），這一發(fā)現(xiàn)為新型器件的研發(fā)敞開了大門。同時，神經(jīng)形態(tài)計算的領域正在迅速擴展，這將對器件功能和計算機體系結構產(chǎn)生重大影響。最終，低溫應用的研究可能對提升數(shù)據(jù)中心的能效發(fā)揮重要作用，尤其是在人工智能應用迅猛增長、能源消耗問題日益凸顯的背景下，這一研究有望引領我們進入全新的材料類別。

在這些討論中，我們關注的是對硅基材料的補充而非替代?，F(xiàn)有技術及不斷演進的新技術正重新定義尺寸縮放的原則。隨著我們步入系統(tǒng)技術協(xié)同優(yōu)化（STCO）的新時代，設計將逐漸呈分散化，這樣不僅可以更經(jīng)濟地構建單個組件，而且還能通過重新組合它們來提升整體性能。為此，我們必須為新時代的芯片設計探索做好準備。

審核編輯：劉清