自1954年以来，硅已成为推动先进技术发展的关键材料。然而，受到摩尔定律的限制，硅也面临着一些挑战。虽然硅在电子基础设施中的地位依然稳固，但业界一直在探索可能取代硅的新材料。尽管没有材料能够完全替代硅的多样性和广泛应用，但多种半导体材料的存在确实为微电子领域带来了更多的选择和价值。
第一个晶体管并不是由硅制成的，而是锗。如今，这些替代材料与硅并驾齐驱，在消费技术日益电气化的背景下发挥着重要作用。半导体材料专家明白，关键不在于一种材料完全取代另一种，而在于根据特定应用的需求选择最合适的材料，这包括性能、效率和稳定性等方面的考量。
宽带隙半导体：超越硅的新一代材料
在宽带隙半导体中，氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）备受瞩目。自20世纪80年代蓝色LED技术的兴起，这两种材料逐渐在商业市场上崭露头角。其特殊的带隙结构为电子应用提供了无限可能。尤其是GaN，其生长工艺的持续优化使其在蓝光DVD播放器等光学技术中得到了广泛应用，并荣获2014年诺贝尔物理学奖。
除了宽带隙特性外，这些材料还具备出色的导热性能，能够有效散热，从而提高设备效率。其承受高电场和高温的能力使其在电力电子领域具有巨大的吸引力，尤其是在逆变器、电源和电机驱动器的设计方面。电动汽车和插电式混合动力汽车等先进汽车技术因此得以突飞猛进。不仅如此，GaN在射频（RF）放大器等高频设备中也发挥着关键作用，推动了无线通信和5G网络的革新。
而SiC，作为一种坚硬且机械稳定性高的材料，其低成本特性使其在磨料和切削工具等多个行业中都展现出巨大的价值。
挑战：GaN的可靠性、成本及SiC的生产难题
尽管 GaN 和 SiC 因其独特的物理性质而受到广泛，但它们的开发和应用相较于传统硅材料更为复杂。GaN 的可靠性和成本问题成为了其广泛商业化的主要障碍。GaN 拥有 3.4eV 的高带隙（对比硅的 1.12eV），这一特性使其在高功率和高频电子器件中表现出色。然而，在 GaN 的生长过程中，缺陷和位错的出现频率较高，这可能导致器件可靠性下降。此外，大型 GaN 基晶圆的生长既困难又昂贵，进一步限制了其商业应用。
为了解决这些问题，研究人员正在探索将 GaN 集成到硅晶圆上的方法，这需要在两种不同晶体结构之间实现无缺陷和低位错的结合，这是一项技术挑战，经常导致晶圆在制造过程中破裂。对于碳化硅（SiC）而言，其硬度和脆性特点使得其生产过程充满挑战。为了生长和加工 SiC 晶体，需要更高的温度以及大量的时间和能量。此外，在检查过程中识别表面缺陷对于 SiC，尤其是高透明度和高折射率的 4H-SiC 晶体结构，可能是一个复杂的过程。这些挑战限制了 SiC 在某些应用领域中的广泛采用，尽管其在电力电子和射频技术等领域仍具有巨大的潜力。
二维新材料与神经形态计算
GaN和SiC仅仅是众多有前途的新材料中的两个代表。随着科技的进步，我们期待看到更多基于新型物理学原理的新材料和应用的涌现。这些新材料在替代存储器件设计方面展现出了巨大的潜力，如利用自旋驱动、铁电性或相变材料等技术。除了传统的二维材料如石墨烯外，研究人员正努力探索其他二维材料，如过渡金属二硫族化物单层，它们为新型设备的设计提供了广阔的可能性。
与此同时，神经形态计算作为一个新兴领域，正对设备和计算机架构的未来发展产生深远的影响。这种计算模式模仿生物神经系统的结构和功能，有望为人工智能和机器学习等领域带来革命性的突破。此外，低温应用也在逐渐受到关注，尤其是在人工智能应用爆炸式增长的背景下。随着数据中心能耗问题的日益突出，低温技术有望帮助改善数据中心的能效，减少电力消耗。这可能会催生全新类别的材料出现，以应对未来技术发展的需求。
值得注意的是，尽管这些新材料和技术在性能和功能上各有优势，但它们并不是要完全替代硅，而是作为硅的补充和增强。当前和未来的技术发展正在不断改变半导体行业的扩展规则。随着系统技术协同优化（STCO）时代的到来，我们将看到设计方法的转变，组件的构建将变得更加经济高效，并通过重新组装实现更高的性能。这要求我们必须为新一轮的实验和创新做好准备，以应对未来半导体领域的挑战和机遇。
参考资料：
CSEAC
举办地区：江苏
开闭馆时间：09:00-18:00
举办地址：无锡市太湖新城清舒道88号
展览面积：48000㎡
观众数量：58000
举办周期：1年1届
主办单位：中国电子专用设备工业协会
