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非硅基材料的類型與發(fā)展現(xiàn)狀

貿(mào)澤電子 ? 來源:貿(mào)澤電子 ? 2025-02-06 13:52 ? 次閱讀

在我們的日常生活中,硅早已是無處不在的隱形力量——從智能手機到筆記本電腦,再到汽車和家用電器,硅基半導(dǎo)體驅(qū)動著現(xiàn)代電子世界。

然而,隨著硅基半導(dǎo)體逐漸接近其物理極限,以及人們對更輕便、更柔性和更節(jié)能設(shè)備需求的不斷增加,非硅基材料正悄然嶄露頭角。想象一下,可以彎曲的手機屏幕、貼在皮膚上的智能傳感器,甚至是可隨身攜帶的超薄太陽能電池,這些未來科技的實現(xiàn),或許正依賴于這些“非硅”新材料。

此次,香港城市大學(xué)電子工程學(xué)院的Steven博士,為我們解析了當(dāng)前非硅基材料類型與發(fā)展現(xiàn)狀。

非硅基材料有哪些?

硅基半導(dǎo)體在過去幾十年里極大地推動了電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,但在面臨現(xiàn)代應(yīng)用需求時,其物理特性逐漸成為限制。Steven表示,隨著晶體管尺寸逐漸接近納米級,使得傳統(tǒng)摩爾定律中通過縮小尺寸來提升速度和能效的方式變得越來越困難。此外,隨著集成電路的集成度提高,硅基材料在高溫下性能下降,電子遷移率也相對較低,也導(dǎo)致了硅基材料如高頻、高溫、高功率等場景中的性能受限。

許多非硅基材料在這些場景中表現(xiàn)更好,可以提供更高的電子遷移率、導(dǎo)熱性和柔韌性,從而使其成為高性能和柔性電子器件的理想選擇。以下是一些目前被應(yīng)用和研究得比較多的非硅基材料類型。

01碳基材料

碳基半導(dǎo)體是以碳元素為主要構(gòu)成的材料,具有半導(dǎo)體特性。碳基半導(dǎo)體因其獨特的物理特性和優(yōu)異的導(dǎo)電性能而備受關(guān)注,被認為在未來電子、光電和量子器件領(lǐng)域有巨大發(fā)展?jié)摿ΑV饕ǎ?/p>

碳納米管(CNT):具有極高的電子遷移率和強度,能夠?qū)崿F(xiàn)更快的電子傳輸,且具有柔韌性,適用于柔性電子設(shè)備和納米級器件。

石墨烯:石墨烯是一種單層碳原子構(gòu)成的二維材料,擁有極高的導(dǎo)電性和熱導(dǎo)性。石墨烯適用于透明電子器件、傳感器、光電器件以及高頻電子器件。

02化合物半導(dǎo)體材料

不同于硅(Si)這樣的單一元素半導(dǎo)體,化合物半導(dǎo)體是由兩種或多種不同元素組成的半導(dǎo)體材料,具有寬帶隙、高電子遷移率和優(yōu)異的光電特性,使其能夠在高溫、高頻及光電應(yīng)用中表現(xiàn)出色。主要包括:

氮化鎵(GaN):適合高頻和高功率電子應(yīng)用,尤其是在5G通信、雷達系統(tǒng)以及電力電子領(lǐng)域,如電動汽車和太陽能逆變器等場景中廣泛應(yīng)用。

碳化硅(SiC):SiC因其在高溫、高壓條件下的穩(wěn)定性,已在電動汽車、可再生能源系統(tǒng)及工業(yè)電力轉(zhuǎn)換中得到應(yīng)用,能夠提高功率轉(zhuǎn)換效率,減少能量損耗。

砷化硼(BAs):具有高熱導(dǎo)率、寬帶隙和優(yōu)良的熱穩(wěn)定性等特點。在當(dāng)前的半導(dǎo)體材料中,其高熱導(dǎo)率尤為突出,使其成為散熱材料的潛在選擇,特別適用于功率電子、射頻電子器件和散熱管理。

03有機半導(dǎo)體材料

有機半導(dǎo)體材料是一類基于碳的有機化合物,具有半導(dǎo)體特性,廣泛應(yīng)用于柔性電子、光電器件、顯示技術(shù)等領(lǐng)域。主要包括:

有機導(dǎo)電聚合物:這類材料柔性好、成本低,適用于柔性顯示、可穿戴設(shè)備以及有機光伏電池等。雖然其電子遷移率較低,但在需要輕量、柔性電子器件的場景中顯示出巨大的潛力,具體包括聚苯胺、聚噻吩等。

有機小分子半導(dǎo)體:由相對較小的分子組成,通常具有較高的電子遷移率,容易通過真空蒸鍍法等工藝成膜,具體包括聚芴、并五苯等。

04其他新興材料

此外,以下新興的半導(dǎo)體材料在不同的應(yīng)用場景也有著極高的應(yīng)用潛力:

氧化鋅(ZnO):具有獨特的光學(xué)和電子特性,在紫外光檢測、透明電子學(xué)和傳感器中有潛在應(yīng)用。

二硫化鉬(MoS?):是一種二維過渡金屬硫化物,在超薄場效應(yīng)晶體管和柔性電子學(xué)中顯示出潛力。

黑磷(Black Phosphorus):帶隙在0.3至2eV之間可調(diào),適合短波紅外探測和柔性電子器件應(yīng)用。

非硅基半導(dǎo)體材料的應(yīng)用

非硅基半導(dǎo)體材料在電子、光電、儲能、傳感和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。其中,碳基和寬帶隙半導(dǎo)體近年來取得了顯著進展,而在柔性半導(dǎo)體領(lǐng)域,許多非硅基材料也發(fā)揮著越來越重要的作用。

碳基半導(dǎo)體:高效、柔性與環(huán)保的未來材料

碳基半導(dǎo)體材料在結(jié)構(gòu)和電性能上展現(xiàn)出極高的電子遷移率,使其能夠提供更快的電子傳輸速度和高效的信號處理能力。此外,碳基材料的二維結(jié)構(gòu)具備無帶隙的特殊導(dǎo)電性,使其在光電探測器和場效應(yīng)晶體管等設(shè)備中具有更靈活的應(yīng)用。與硅的脆性相比,碳基半導(dǎo)體材料還具備優(yōu)異的機械柔性和強度,非常適合制造可彎曲的柔性電子設(shè)備。此外,這類材料具有良好的生物相容性和低毒性,制造過程也更加環(huán)保。

目前,碳基半導(dǎo)體技術(shù)在多個行業(yè)展示出巨大的應(yīng)用潛力,尤其是在電子器件、光電設(shè)備、能源儲存和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域,開始顯現(xiàn)出替代傳統(tǒng)硅基半導(dǎo)體的可能性。例如:

01在電子器件方面

研究人員已成功開發(fā)出基于石墨烯和碳納米管的晶體管,去年北大團隊制造出的90納米碳納米管,其性能已可與45納米的傳統(tǒng)硅基芯片相媲美。

02在光電設(shè)備方面

石墨烯透明導(dǎo)電膜的應(yīng)用使得柔性和透明顯示器成為現(xiàn)實,這些顯示屏不僅可以彎曲,還能保持較高的電子傳輸效率,已在柔性OLED顯示屏和智能手機觸控屏中進行應(yīng)用試驗。

03在能源儲存領(lǐng)域

石墨烯超級電容器能夠?qū)崿F(xiàn)更快的充放電速度和更長的循環(huán)壽命,廣泛應(yīng)用于電動汽車和再生能源儲存等領(lǐng)域。

此外,石墨烯和碳納米管生物傳感器因其高靈敏度和低毒性等特性,在體液檢測和血糖監(jiān)測等生物醫(yī)學(xué)檢測中展現(xiàn)了廣泛的應(yīng)用潛力。

今年7月,北京大學(xué)宣布成功研發(fā)出了世界首個基于碳納米管的張量處理器芯片,該芯片集成了3,000個碳納米管晶體管,特別適用于卷積運算和大規(guī)模矩陣乘法。這也意味著碳基材料研究開始從器件走向了更為系統(tǒng)化的階段。

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圖2:基于碳納米管晶體管構(gòu)建的張量處理器(圖源:北京大學(xué))

寬帶隙半導(dǎo)體:高效能與高溫環(huán)境的理想選擇

寬帶隙材料因其高功率、高頻率、耐高溫和高耐壓等特性,廣泛應(yīng)用于功率電子、射頻器件和光電器件中。這些材料在高效能和耐高溫的電子設(shè)備中發(fā)揮著不可替代的作用,逐漸成為電力電子和射頻通訊等領(lǐng)域的關(guān)鍵材料,推動了多個行業(yè)的技術(shù)升級和性能優(yōu)化。

例如,碳化硅和氮化鎵目前已廣泛應(yīng)用于電動汽車和充電站,其高效率和高耐壓特性顯著提升了電動汽車的續(xù)航里程和充電速度,同時減少了能量損耗和熱管理需求。在太陽能光伏、風(fēng)力發(fā)電和智能電網(wǎng)應(yīng)用中,寬帶隙材料被用于逆變器和電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng),有效提高了電能轉(zhuǎn)換效率并減少了能量損耗。氮化鎵因其高頻特性和低功耗,目前也被廣泛應(yīng)用于5G基站、雷達系統(tǒng)和衛(wèi)星通信中。

柔性半導(dǎo)體:讓電子產(chǎn)品走向輕便和多樣化

Steven提到,除了碳基和寬禁帶材料,許多非硅基材料也被廣泛應(yīng)用于柔性半導(dǎo)體制造。柔性半導(dǎo)體是指能夠彎曲、折疊或拉伸的電子器件,常用于柔性顯示屏、可穿戴設(shè)備、電子皮膚和智能醫(yī)療設(shè)備等。這些材料相比傳統(tǒng)剛性半導(dǎo)體,能更好地適應(yīng)不規(guī)則表面和運動環(huán)境。

硅基材料因其固有的剛性和脆性,在彎曲或拉伸時容易斷裂,難以滿足柔性半導(dǎo)體對柔韌性的要求。相對而言,有機半導(dǎo)體和碳基材料等非硅基材料不僅可以在低溫下加工,還具備良好的柔性和輕量化特性,成為柔性半導(dǎo)體的理想選擇。

目前,柔性半導(dǎo)體技術(shù)已廣泛應(yīng)用于柔性顯示器、可穿戴設(shè)備、電子皮膚和柔性太陽能電池等領(lǐng)域。通過將氧化物半導(dǎo)體或有機半導(dǎo)體應(yīng)用于顯示面板,屏幕可以實現(xiàn)彎曲或折疊。使用石墨烯或碳納米管制成的柔性傳感器,能夠模擬人體皮膚的觸覺感知,應(yīng)用于機器人觸覺、假肢和醫(yī)療設(shè)備中。

此外,有機半導(dǎo)體和二維材料可集成在建筑物、窗戶和服裝表面,為移動電子設(shè)備提供可持續(xù)電源。基于碳納米管和有機半導(dǎo)體的柔性晶體管,使可折疊、卷曲的電子設(shè)備設(shè)計更加多樣化,推動了可穿戴設(shè)備和下一代便攜式電子產(chǎn)品的發(fā)展。

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圖3:香港城市大學(xué)開發(fā)的電子“皮膚”(圖源:香港城市大學(xué)官方)

非硅基材料的商用挑戰(zhàn)

基于非硅基材料具備的柔韌性、輕量性和低溫加工特性,它們在柔性電子等特定應(yīng)用中展現(xiàn)出替代硅基材料的潛力。然而,Steven指出,目前非硅基材料主要應(yīng)用于集成度要求較低的領(lǐng)域,如汽車電子、柔性顯示屏、可穿戴設(shè)備和分布式能源等。對于手機芯片和CPU等復(fù)雜制造系統(tǒng),硅基材料仍占主導(dǎo)地位。非硅基材料面臨一系列技術(shù)和市場挑戰(zhàn),主要包括:

性能局限性:非硅基材料的電子遷移率和穩(wěn)定性通常低于硅,難以滿足高速計算、存儲和大功率應(yīng)用的嚴苛要求。例如,盡管石墨烯和碳納米管具有高遷移率,但在復(fù)雜晶體管電路中難以實現(xiàn)穩(wěn)定控制。有機半導(dǎo)體因其分子結(jié)構(gòu)的局限性,在高頻或高功率應(yīng)用中表現(xiàn)不佳。此外,非硅基材料在環(huán)境穩(wěn)定性方面較弱,易受濕氣、氧化和溫度變化影響。

制造工藝欠成熟:硅基半導(dǎo)體經(jīng)過多年的發(fā)展,已形成成熟的制造體系,包括龐大的供應(yīng)鏈和技術(shù)生態(tài),能夠?qū)崿F(xiàn)高質(zhì)量和低成本的大規(guī)模生產(chǎn)。而非硅基材料的制造工藝和供應(yīng)生態(tài)仍處于早期階段,許多材料難以與現(xiàn)有硅基工藝兼容,且制造過程中常涉及新技術(shù),導(dǎo)致流程復(fù)雜、成本高。

市場接受度和標(biāo)準(zhǔn)化不足:非硅基材料的市場尚不成熟,應(yīng)用仍處于試驗和探索階段,許多潛在用戶對其性能和穩(wěn)定性存在疑慮。同時,非硅基材料的標(biāo)準(zhǔn)化體系尚未建立,產(chǎn)品規(guī)格、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和測試方法等缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),給下游企業(yè)帶來不確定性。

Steven認為,非硅基材料的某些特性有效補充了硅基材料,并拓寬了半導(dǎo)體的應(yīng)用邊界,但硅基半導(dǎo)體的主導(dǎo)地位仍然不可動搖。未來,兩者可能會并行發(fā)展并實現(xiàn)混合集成。

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原文標(biāo)題:硅之外的選擇:非硅基材料如何推動半導(dǎo)體創(chuàng)新?

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