哪种新材料能让我国芯片工业弯道超车

2016年曾经，芯片职业内有声响以为：7nm是硅芯片工艺的物理极限；而现在，7nm制程的硅芯片现已面世，新的声响又呈现了：3nm才是极限。

但3nm以下的芯片该怎样开展？对此，现在各大半导体厂商都没有清晰的答案。

芯片工业高质量开展面对瓶颈，推出新的架构是一大处理方案，但更“底子”的办法，或许是找到可以代替硅的新资料。

事实上，硅资料并非从一开端便是首选。在硅之前，干流芯片资料是锗，但锗的“硬伤”，首要有三个：

一是含量少。锗在地壳中的含量仅为一百万分之七且极为涣散，被称为“稀散金属”。没有会集的“锗矿”，导致锗的挖掘本钱非常昂扬，也很难完成大规模出产。

二是高纯度锗的提炼难度很大。纯度缺乏的直接成果便是芯片功能难以提高。

三是安稳性差。选用锗晶体管的芯片，最多只能接受80°C左右的高温，而前期芯片的买方以政府军方为主，这些客户一般要求产品可以饱尝200°C的高温，锗芯片明显做不到。

锗的这些“硬伤”，刚好都是硅的利益。硅在地壳中的含量高达26.3%，仅次于氧（48.6%），是含量第二高的元素。在安稳性方面，硅也强于锗。在提纯方面，现在的技能现已能将纯度无限提高至挨近100%。

自从仙童公司发明晰硅晶体管的平面处理技能，让硅在芯片中的运用变得简略高效，硅就逐步成为了芯片制作的干流资料。

现在，硅遇到了什么样的问题？

芯片开展的趋势，可以简略总结为：体积更小、功能更强。要朝这个方向开展，就要让芯片单位面积上集成的元器材数量更多。元器材尺度越小，芯片上能集成的元器材就天然越多，当然这一起也代表着更高的制作难度。

这就比如房间越来越小，但里边要装的东西却渐渐的变多，不论选用什么样的“收纳”办法，总有一天，这个房间会“过载”。

漏电和散热欠安，便是硅芯片“过载”发生的问题。

实际上，这两个问题并不是在当时芯片制程工艺走到了7nm这一时期，才忽然呈现的。在硅芯片开展进程中，这样的问题也屡次呈现，但各大厂商都用各种办法奇妙处理了。运用新的资料，便是其间一种办法，比如用锗硅等元素作为信道的资料。但如何将不同的资料整合到硅基板上，也是一项应战。

即便现在的7nm芯片并没有像曩昔猜测的那样，到达硅芯片的物理极限，但硅的物理极限是必定存在的。

芯片的下一个“底子性”的打破，便是找到新的资料。

什么类型的资料有望成为干流？

近来，达摩院发布的“2020十大科技趋势”猜测：新资料的全新物理机制，将完成全新的逻辑、存储及互联概念和器材，推进半导体工业的改造。例如，拓扑绝缘体、二维超导资料等，可以完成无损耗的电子输运和自旋输运，能成为全新的高功能逻辑器材和互联器材的根底。

闻名华裔科学家张首晟就在2016年声称：现已发现了新的拓朴绝缘体资料，并且该资料现已试验成功。假如这种新的拓朴绝缘体资料终究可以成功地运用到半导体和芯片工业中，将带来巨大的商机，也将造就一个新的硅谷年代。

当然，现在拓朴绝缘体在芯片制作范畴的运用，还处于比较前期的研制阶段。已知的是可以处理电子芯片发热的问题，但未来这种资料该怎样用、能用在哪里，还有许多需求探究的当地。此外，拓朴绝缘体更多地被寄期望于运用在量子芯片上，但量子芯片与经典芯片是彻底不同的两个范畴。

另一种新资料——二维超导资料，是时下半导体职业评论的热门话题。二维资料包含石墨烯、磷烯、硼烯等，这些资料更有期望成为干流资料。

其间，石墨烯是最杰出的一个。

之所以看好石墨烯，是因为它除了“二维”这个特点外，还有一个身份——碳纳米资料。早在2012年，IEEE（电气和电子工程师协会）就在《逾越摩尔》中写道，未来半导体工业或许从“硅年代”进入“碳年代”。碳纳米资料石墨烯或许在未来代替本来的硅基资料。

碳纳米管是由石墨烯片卷成的无缝、中空的管体，导电功能极好，并且管壁很薄。因而，理论上在相同的集成度下，碳纳米管芯片能比硅芯片更小；此外，碳纳米管自身产热很少，加上有杰出的导热性，因而可以削减能耗；此外，从挖掘本钱考量，碳的散布广泛，获取本钱并不高。

更重要的是，石墨烯作为人类最早发现的二维资料，其运用现已在屏幕、电池、可穿戴设备上呈现，石墨烯的研讨现已到了相对老练的阶段。因而，石墨烯最为有望成为新的干流芯片资料，代替硅的位置。

现在我国自主研制的传统芯片，还在28nm到14nm制作工艺的商业化量产转化过程中，与世界先进水平还有较大的距离。但这都是建立在硅作为芯片首要资料的根底上来说的，假如未来碳纳米资料可以成为干流，那么我国是否有时机在这个节点上，完成弯道超车？

首要，我国的碳纳米管器材研讨与世界前沿水平距离不大。世界上最早完成碳纳米管器材制备的是IBM，2017年IBM经过运用碳纳米管将晶体管尺度缩小到40nm；同年，北京大学研制了120nm的碳纳米管晶体管，在0.8伏特电压下的跨导，为已宣布的碳纳米管器材中的最高值。

但任何技能的开展都不会一往无前。石墨烯在芯片制作范畴的运用面对着三大难题：首要，现在高纯度的石墨烯还比较难取得；其次，石墨烯晶圆的制作也非常困难，尽管现在我国现已首先完成石墨烯单晶晶圆的规模化制备，但在当时的制作流程与工艺下，仍是有或许会呈现褶皱、点缺陷和污染的状况；最终，要让归入器材的石墨烯可以持续坚持其优秀的功能，其他相关的制作流程与工艺和资料也需求与之配套迭代，才或许正真的确保以石墨烯为质料的芯片得以安稳运转。

简略总结来说，石墨烯仍是一个比较新的资料。要想让石墨烯可以真实代替硅，成为芯片的干流资料，在制作工艺以及配套器材的技能跟进上，还有许多难题需求解开。

对我国而言，在技能新旧交替的节点上，无疑存在着弯道超车的时机。但需求正视的问题是：国内对新概念往往过于疯狂。石墨烯在芯片等很多范畴的确大有潜力，但从发现潜力到工业化，中心需求的是兢兢业业的研讨，也需求群众对新技能研制失利的容纳。

我国芯片的弯道超车，不仅仅需求“新”资料，更需求的是“新”的产学研系统，以及愈加敞开容纳的投资环境。