芯片產(chǎn)業(yè)瓶頸倒逼材料革新

2016年之前，芯片行業(yè)內(nèi)有聲音認為：7nm是硅芯片工藝的物理極限。而現(xiàn)在，7nm制程的硅芯片已經(jīng)問世，新的聲音又出現(xiàn)了：3nm才是極限。

但3nm以下的芯片該何去何從，目前各大半導(dǎo)體廠商都沒有明確的答案。芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨巨大瓶頸，推出新的架構(gòu)是一大解決方案，但最“根本”的辦法，就是找到替代硅的新介質(zhì)。

芯片發(fā)現(xiàn)之初，硅材料并非從一開始就是首選。在硅之前，主流芯片材料是鍺，但鍺有許多硬傷的，其中最主要的硬傷有三個：

一是含量少。鍺在地殼中的含量僅為一百萬分之七，且分布太過分散，被業(yè)內(nèi)人士稱為“稀散金屬”。沒有較為集中的“鍺礦”，導(dǎo)致鍺的開采成本十分非常之高，也很難實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。二是提煉高純度鍺的難度太大。純度不純芯片性能難以提升。三是穩(wěn)定性差。采用鍺晶體管的芯片只能承受80°C左右的高溫，而早期芯片主要是軍方為主，而軍方要求芯片能夠經(jīng)受200°C的高溫，鍺芯片高溫承受能力明顯不夠。

而鍺的三大“硬傷”卻恰好都是硅的長處。硅在地殼中含量高達26.3%，僅次于氧(48.6%)，含量是所有元素除了氧含量最高的。在穩(wěn)定性方面，硅也強于鍺。提純能力方面以現(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)將純度無限提升至接近100%。

發(fā)明了硅晶體管的平面處理技術(shù)后，使得硅在芯片中的應(yīng)用變得簡單高效，硅就逐漸成為了芯片制造的主流材料。

現(xiàn)有技術(shù)情況硅所遇到的技術(shù)難題

芯片發(fā)展方向可以簡單總結(jié)為：體積越小性能就越強。想要體積越小性能越強就要讓芯片單位面積上集成的元器件數(shù)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，當然這同時也意味著更高的制造難度。

而硅的漏電性和散熱性不好，就導(dǎo)致了硅芯片“過載”產(chǎn)生的問題。這兩個弊端不是在當前芯片制程工藝走到了7nm這一時期才突然出現(xiàn)的。而是在硅芯片發(fā)展過程中這些問題已經(jīng)出現(xiàn)過很多次，芯片制造商已經(jīng)采用各種技術(shù)解決了。

即使現(xiàn)在的7nm芯片并沒有像過去預(yù)測的那樣，達到硅芯片的物理極限，但硅的物理極限是已然存在了。而芯片的下一個技術(shù)突破，就是找到新的材料。

石墨烯的誕生成為芯片發(fā)展的新思路

而石墨烯的出現(xiàn)有望成主流芯片材料，年初達摩院發(fā)布的“2020十大科技趨勢”預(yù)測：新材料的全新物理機制，將實現(xiàn)全新的邏輯、存儲及互聯(lián)概念和器件，推動半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的革新。例如，拓撲絕緣體、二維超導(dǎo)材料等，能夠?qū)崿F(xiàn)無損耗的電子輸運和自旋輸運，可以成為全新的高性能邏輯器件和互聯(lián)器件的基礎(chǔ)。早在2016年著名華裔科學(xué)家張首晟就宣稱：已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了新的拓撲絕緣體材料，并且該材料已經(jīng)實驗成功。如果這種新的拓撲絕緣體材料最終能夠成功地應(yīng)用到半導(dǎo)體和芯片產(chǎn)業(yè)中，將帶來巨大的商機，也將造就一個新的硅谷時代。

然而目前拓撲絕緣體在芯片制造領(lǐng)域的應(yīng)用，還處于理論和早期的研發(fā)階段。是目前已知的是能夠解決電子芯片發(fā)熱的問題，但未來這種新材料要怎么用才能達到芯片材料的要求還需要更多探索方向。此外，拓撲絕緣體更多被寄希望于應(yīng)用在量子芯片上，但量子芯片與硅芯片是兩個完全不同的科研方向。

現(xiàn)在出現(xiàn)幾種二維超導(dǎo)材料，是現(xiàn)在半導(dǎo)體行業(yè)一直研究的方向。二維材料主要有石墨烯、磷烯、硼烯等，而這些材料更有希望成為芯片的主導(dǎo)基材。而石墨烯是所有二維材料中性能最突出的一個。業(yè)內(nèi)人士看好石墨烯，是因為它除了“二維”這個屬性外，還有另外一個身份就是碳納米材料。2012年，IEEE(電氣和電子工程師協(xié)會)在《超越摩爾》中寫道，未來半導(dǎo)體工業(yè)可能從“硅時代”進入“碳時代”。碳納米材料石墨烯非常有可能在未來代替原來的硅基材料。并且現(xiàn)在已經(jīng)在芯片基材領(lǐng)域突破，

目前中國自主研發(fā)的傳統(tǒng)芯片，還在28nm到14nm制造工藝的商業(yè)化量產(chǎn)轉(zhuǎn)化過程中，與國際先進水平還有較大的差距。而在石墨烯芯片基材領(lǐng)域的突破，使得我們可以實現(xiàn)彎道超車的可能。

國際上最早實現(xiàn)碳納米管器件制備的是IBM，2017年IBM通過使用碳納米管將晶體管尺寸縮小到40nm;同年，北京大學(xué)研制了120nm的碳納米管晶體管，并在0.8伏特電壓下的跨導(dǎo)，為已發(fā)現(xiàn)的碳納米管器件中的最高值。

但石墨烯在芯片制造領(lǐng)域的應(yīng)用面臨著三大難題：首先，目前高純度的石墨烯還比較難獲得;其次，石墨烯晶圓的制造也十分困難，但是華為余承東在2018年某場發(fā)布會上提到華為已經(jīng)在從事石墨烯芯片的研發(fā)，和近日中科院獲得重大突破石墨烯芯片正式上線的報道說明已經(jīng)在技術(shù)上確定了可行性，并做成原型！

或許最近兩三年內(nèi)石墨烯芯片就會實現(xiàn)量產(chǎn)，將無懼芯片領(lǐng)域的任何制裁，中國芯片行業(yè)將不會依賴任何人！

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