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近日，天津大學納米顆粒與納米系統(tǒng)國際研究中心的馬雷團隊攻克了長期以來阻礙石墨烯電子學發(fā)展的關鍵技術難題，創(chuàng)造了一種新型穩(wěn)定的半導體石墨烯，再次引發(fā)行業(yè)對石墨烯的關注。
事實上，在摩爾定律逼近極限之際，通過半導體材料創(chuàng)新提升集成電路性能早已成為行業(yè)關注的焦點。此前，繼荷蘭ASML、日本佳能相繼官宣2nm制造設備最新進展后，一眾半導體制造材料廠商紛紛表示：未來十年，半導體制造材料領域將迎來“黃金時代”。
下一個十年是“材料時代”
德國默克集團電子業(yè)務CEO凱?貝克曼說，現(xiàn)在電子行業(yè)正在從過去二十年里依靠工具推進技術的時代，轉向“材料時代”的下一個十年。半導體2nm時代，制程工藝逐漸逼近物理極限，簡單依賴更小的尺寸、更高的集成度實現(xiàn)集成電路更新迭代的方式已難以為繼。
在半導體材料制造商英特格CEO詹姆斯·奧尼爾看來，三十年前，先進生產工藝需要利用光刻機制備更小尺寸的晶體管，進而提升半導體性能，但當前，材料創(chuàng)新已成為半導體性能提升的主要驅動力；凱?貝克曼支持這一觀點，認為盡管光刻工具非常重要，但現(xiàn)在更重要的是半導體材料。
具體而言，芯片內部晶體管的設計和堆疊日漸復雜，芯片制造已經接近原子尺度的極限，未來半導體的發(fā)展不能僅僅依賴光刻技術，也需要新材料來共同推進。這一點在2nm時代顯得更為重要。
“2nm制程的芯片代工制造，對半導體材料性能提出了更高的挑戰(zhàn)?！辟惖涎芯吭焊呒壒こ處煶貞椖钕颉吨袊娮訄蟆酚浾弑硎荆耙皇窃诠饪谭矫嫘枰饪棠z及輔材滿足更小線寬制造的需求；二是在小線寬布線方面需要接觸電阻低、較寬溫度范圍內熱穩(wěn)定好、附著好、橫向均勻、擴散層薄等性能更高的金屬材料；三是在精細化硅晶圓加工和清洗方案方面，需要更多超細拋光材料和高純特氣等先進半導體材料?！?/p>
理論概念中的“完美設計”無遠弗屆，現(xiàn)實中的芯片制造卻存在物理邊界。無論是針對設計愈發(fā)復雜的邏輯芯片，從傳統(tǒng)的平面型晶體管到鰭式場效應晶體管（FinFET），再到全環(huán)繞柵極晶體管（Gate-All-Around FET）的多級跨越；還是存儲芯片在3D NAND領域的激烈競爭，以更多的芯片堆疊層數(shù)爭取更大的儲存容量，就像現(xiàn)在三星、SK海力士和美光等廠商生產的芯片層數(shù)已突破230層，正向300乃至更多層發(fā)起沖鋒。這兩個領域能否取得進一步發(fā)展，都不再簡單依賴光刻設備的升級，也呼喚著全新的尖端材料。
當制造工藝和設備的“內卷”逼近天花板，半導體材料有望成為行業(yè)的下一個風口。詹姆斯·奧尼爾將當前生產3D晶體管芯片比喻成“在直升機上給建筑噴漆”，需要將創(chuàng)新材料“均勻地覆蓋頂部、底部和側面”，目前材料行業(yè)正在想辦法從原子尺度上實現(xiàn)這一點。
第一個石墨烯半導體誕生
就在1月4日，一篇重磅的論文在《自然》雜志上發(fā)表，宣布了世界上第一個由石墨烯制成的功能半導體的誕生。這一創(chuàng)造性的發(fā)明，為石墨烯電子學的實用化邁出了堅實的一步，也為未來的芯片技術開辟了新的可能性。這項研究是由美國佐治亞理工學院提出并指導，由中國天津大學的研究團隊承擔了主要的研究和攻關工作。其實，這個石墨烯半導體早在2021年下半年就已經成功研制出來了，但是經過了兩年多的驗證和修改，直到2024年初才正式向全世界公布。
在尋找新型半導體材料的過程中，石墨烯無疑是一種極具吸引力的候選者。石墨烯是由單層碳原子緊密排列成蜂窩狀結構的二維材料，它與硅一樣豐富廉價，而且擁有許多令人驚嘆的性質，如高導電性、高導熱性、高強度和高透明性等。這些性質使得石墨烯有望用于制造更小、更快、更節(jié)能的電子器件，從而推動半導體技術的革命。然而，石墨烯的半導體應用并非一帆風順，它還面臨著一些重大的技術難題，例如如何在大面積上制備高質量的石墨烯，以及如何調節(jié)石墨烯的帶隙和載流子濃度等。帶隙是指半導體材料中價帶和導帶之間的能量差，它決定了半導體的導電性和光電性。石墨烯的一個缺點是它沒有帶隙，也就是說它不能像普通的半導體那樣通過外加電壓或光照來控制電流的開關，這限制了它在數(shù)字電路和光電器件中的應用。這就是為什么這篇論文的發(fā)表引起了廣泛的關注，因為它展示了一種創(chuàng)新的方法，利用外延石墨烯與碳化硅之間的化學鍵合，實現(xiàn)了石墨烯的半導體化。
外延石墨烯是指在碳化硅晶體上生長的一層石墨烯，它的下面與碳化硅中的碳原子形成了共價鍵。這樣，碳化硅對石墨烯的能帶結構產生了顯著的影響，導致了石墨烯的能帶出現(xiàn)了分裂，形成了帶隙。這個帶隙經過測量大約是0.6電子伏特，也就是說石墨烯中的電子要想從價帶躍遷到導帶，就需要克服0.6電子伏特的能量差，這樣就可以實現(xiàn)電流的開關控制。這個帶隙的產生是由于原來在石墨烯中自由傳輸?shù)摩须娮邮艿搅颂蓟璧南拗?，失去了金屬性質，變成了絕緣體，也就是說它不再導電了。那么怎么能夠讓它恢復導電性呢？有兩種方法，一種是施加一定的能量，比如說光照或者加熱，讓電子獲得足夠的動能，跨越0.6電子伏特的能障，從價帶躍遷到導帶，另一種是通過摻雜其他元素，形成高濃度的載流子，改變石墨烯的電子結構。在這個外延石墨烯中，研究者是通過摻雜氧氣來實現(xiàn)這一目的的，從而讓石墨烯具備了導電性，形成了一個P型半導體。
P型半導體的意思就是說價帶中有很多帶正電荷的空穴，這些空穴可以吸引電子跳到其中，從而形成一種電流。在場效應晶體管（FET）的形態(tài)下，研究者對這種半導體石墨烯進行了實際的測量，發(fā)現(xiàn)它的遷移率高達5000平方厘米福特每秒，這是硅的十倍，也是其他二維半導體的20倍之多。遷移率是指載流子的移動速率，遷移率越高，意味著這種材料制作的半導體器件的開關速度就可以做到很快，而且能耗更低。而且，由于是一種二維材料，它也具有很小的體積尺寸和機械柔韌性，可以讓器件變得更小，設計上更靈活。這種方法的優(yōu)點是，它不需要轉移石墨烯到其他基底，而是直接在碳化硅上實現(xiàn)石墨烯的半導體化，從而避免了轉移過程中可能產生的缺陷和污染，保證了石墨烯的高質量和高性能。
此外，這種方法還可以通過改變碳化硅的晶面方向，調節(jié)石墨烯的帶隙大小，從而實現(xiàn)不同的半導體特性。然而這種方法也有缺點，它需要高溫的化學氣相沉積過程，而且碳化硅的價格比普通的硅基底要高，這些都會增加石墨烯的制造成本和難度。因此，這種方法還需要進一步的優(yōu)化和改進，以提高石墨烯的生長速率和均勻性，降低石墨烯的制造成本和復雜度，才能實現(xiàn)石墨烯的規(guī)模化生產和應用。
超原子材料：下一代半導體的速度之王
半導體材料一直以來都扮演著電子設備的心臟角色，而硅則是當前主要的半導體材料。然而，硅卻存在一些缺陷，限制了未來更高效的半導體元件的需求。最近，哥倫比亞大學的科學家們取得了一項重大突破，他們發(fā)現(xiàn)了一種新型的"超原子"材料，創(chuàng)造出有史以來速度最快、效率最高的半導體記錄。
硅是目前最廣泛使用的半導體材料，但硅本身的電子和電洞遷移速度在未來很難滿足更高效的半導體元件需求。
在任何材料中，原子晶格結構都會發(fā)出微小振動并以聲子形式傳播，后者能散射電子或攜帶能量的粒子，如激子。當聲子與電洞相互作用，會導致半導體內的能量以熱能方式散失，從而限制了能量和信息傳輸速度，這是該領域一直未能解決的難題。
然而，哥倫比亞大學的團隊最近在實驗室中成功合成了一種新型材料，由錸、硒、氯混合而成，被命名為Re6Se8Cl2。這些原子凝聚在一起，表現(xiàn)出類似"超原子"的行為，其半導體性能優(yōu)于目前已知的任何半導體材料。
研究人員發(fā)現(xiàn)，Re6Se8Cl2中的激子不會像在其他材料中一樣被聲子撞擊而散射，相反，它們與聲子結合，形成了一種新的準粒子，稱為聲激子-極化子。盡管這些準粒子的行進速度較一般激子慢，但與硅相比，它們不受聲子散射的干擾，可以傳輸更快的電子。
可以將這種現(xiàn)象簡單地解釋為龜兔賽跑。在硅中，電子快速穿越時常常受到反彈和分散的影響，導致能量以熱的方式浪費。然而，Re6Se8Cl2中的極化子在傳輸過程中不受其他聲子的影響，隨著時間的推移，它們移動得更遠，更快。
具體而言，以從點A傳輸?shù)近cB所需的時間來衡量，Re6Se8Cl2中的極化子傳輸速度實際上是硅中電子速度的兩倍。
研究人員認為，使用這種材料制造的電子設備理論上速度將提高6個數(shù)量級，而且還可以在室溫下工作。
然而，由于錸等材料的稀缺和高昂，這種特殊混合物材料很難投入市場，尤其是用于消費品。但研究團隊相信，未來可能會出現(xiàn)類似且更便宜的"超原子"材料，或者可以使用更低成本的技術來制備Re6Se8Cl2，這將大大提高計算機芯片的運行速度。
第三代半導體未來前景有多大？
近年來，以碳化硅、氮化鎵為主的第三代半導體材料需求爆發(fā)，成為資本市場追逐的對象。如今，以氧化鎵為代表的第四代半導體材料的閃亮登場，有望成為半導體賽道的新風口。
根據(jù)日本氧化鎵企業(yè)FLOSFIA預計，2025年氧化鎵功率器件市場規(guī)模將開始超過氮化鎵，2030年達到15.42億美元（約人民幣100億元），達到碳化硅的40％，達到氮化鎵的1.56倍。
單看新能源車市場，2021年全球新能源車銷量650萬輛，新能源汽車滲透率為14.8％，而碳化硅的滲透率為9％，隨著新能源車的滲透率提高，市場規(guī)模將逐步擴大，目前碳化硅、氮化鎵還遠未達到能夠左右市場的程度，相比之下氧化鎵的發(fā)展窗口非常充裕。
在射頻器件市場，氧化鎵的市場容量可參考碳化硅外延氮化鎵器件的市場。碳化硅半絕緣型襯底主要用于5G基站、衛(wèi)星通訊、雷達等方向，2020年碳化硅外延氮化鎵射頻器件市場規(guī)模約8.91億美元，2026年將增長至22.22億美元（約人民幣150億元）。
從應用領域來看，氧化鎵在以下方面將會得到長遠發(fā)展：
1．功率電子
氧化鎵功率器件跟氮化鎵、碳化硅有部分重合，在軍民應用領域有廣泛的應用前景。在軍用領域可用于高功率電磁炮、坦克戰(zhàn)斗機艦艇等電源控制系統(tǒng)以及抗輻照、耐高溫宇航用電源等，可大幅降低武器裝備系統(tǒng)損耗，減小熱冷系統(tǒng)體積和重量，滿足軍事應用部件對小型化、輕量化、快速化與抗輻照耐高溫的要求；在民用領域可用于電網、電力牽引、光伏、電動汽車、家用電器、醫(yī)療設備和消費類電子等領域，能夠實現(xiàn)更大的節(jié)能減排；
2．襯底材料
氧化鎵能通過提拉法快速制備，是一種有潛力的襯底材料，可用來制備大功率GaN基LED，也可以利用同質外延制備新型氧化鎵基功率電子器件；
3．透明導電氧化物薄膜
氧化鎵晶體化學性質穩(wěn)定，不易被腐蝕，機械強度高，高溫下性能穩(wěn)定，有高的可見光和紫外光的透明度，尤其是其在紫外和藍光區(qū)域透明，這是傳統(tǒng)的透明導電材料所不具備的，因此β——Ga2O3單晶可以成為新一代透明導電材料，在太陽能電池、平板顯示技術上得到應用；
4．日盲紫外光探測器及氣體傳感器
由于氧化鎵高溫下性能穩(wěn)定，有高的可見光和紫外光的透明度，尤其是在紫外和藍光區(qū)域透明，因此日盲紫外探測器是目前氧化鎵比較確定的一條應用路線。
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