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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，硅基半導體驅動著現代電子世界。
然而，隨著硅基半導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，或許正依賴于這些“非硅”新材料。
此次，香港城市大學電子工程學院的Steven博士，為我們解析了當前非硅基材料類型與發(fā)展現狀。
非硅基材料有哪些？
硅基半導體在過去幾十年里極大地推動了電子產業(yè)的發(fā)展，但在面臨現代應用需求時，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更好，可以提供更高的電子遷移率、導熱性和柔韌性，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
碳基半導體是以碳元素為主要構成的材料，具有半導體特性。碳基半導體因其獨特的物理特性和優(yōu)異的導電性能而備受關注，被認為在未來電子、光電和量子器件領域有巨大發(fā)展?jié)摿?。主要包括?/p>
- 碳納米管（CNT）：具有極高的電子遷移率和強度，能夠實現更快的電子傳輸，且具有柔韌性，適用于柔性電子設備和納米級器件。石墨烯：石墨烯是一種單層碳原子構成的二維材料，擁有極高的導電性和熱導性。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、化合物半導體材料
不同于硅（Si）這樣的單一元素半導體，化合物半導體是由兩種或多種不同元素組成的半導體材料，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、高頻及光電應用中表現出色。主要包括：
砷化硼（BAs）：具有高熱導率、寬帶隙和優(yōu)良的熱穩(wěn)定性等特點。在當前的半導體材料中，其高熱導率尤為突出，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、有機半導體材料
有機半導體材料是一類基于碳的有機化合物，具有半導體特性，廣泛應用于柔性電子、光電器件、顯示技術等領域。主要包括：
有機導電聚合物：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，以下新興的半導體材料在不同的應用場景也有著極高的應用潛力：
氧化鋅（ZnO）：具有獨特的光學和電子特性，在紫外光檢測、透明電子學和傳感器中有潛在應用。
二硫化鉬（MoS?）：是一種二維過渡金屬硫化物，在超薄場效應晶體管和柔性電子學中顯示出潛力。
黑磷（Black Phosphorus）：帶隙在0.3至2eV之間可調，適合短波紅外探測和柔性電子器件應用。
非硅基半導體材料的應用
非硅基半導體材料在電子、光電、儲能、傳感和生物醫(yī)學等領域具有廣泛應用。其中，碳基和寬帶隙半導體近年來取得了顯著進展，而在柔性半導體領域，許多非硅基材料也發(fā)揮著越來越重要的作用。
碳基半導體：高效、柔性與環(huán)保的未來材料
碳基半導體材料在結構和電性能上展現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，碳基材料的二維結構具備無帶隙的特殊導電性，使其在光電探測器和場效應晶體管等設備中具有更靈活的應用。與硅的脆性相比，碳基半導體材料還具備優(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，碳基半導體技術在多個行業(yè)展示出巨大的應用潛力，尤其是在電子器件、光電設備、能源儲存和生物醫(yī)學等領域，開始顯現出替代傳統(tǒng)硅基半導體的可能性。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、在光電設備方面
石墨烯透明導電膜的應用使得柔性和透明顯示器成為現實，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用試驗。
03、在能源儲存領域
石墨烯超級電容器能夠實現更快的充放電速度和更長的循環(huán)壽命，廣泛應用于電動汽車和再生能源儲存等領域。
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)學檢測中展現了廣泛的應用潛力。
今年7月，北京大學宣布成功研發(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。
寬帶隙半導體：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域的關鍵材料，推動了多個行業(yè)的技術升級和性能優(yōu)化。
例如，碳化硅和氮化鎵目前已廣泛應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、風力發(fā)電和智能電網應用中，寬帶隙材料被用于逆變器和電力轉換系統(tǒng)，有效提高了電能轉換效率并減少了能量損耗。氮化鎵因其高頻特性和低功耗，目前也被廣泛應用于5G基站、雷達系統(tǒng)和衛(wèi)星通信中。
柔性半導體：讓電子產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用于柔性半導體制造。柔性半導體是指能夠彎曲、折疊或拉伸的電子器件，常用于柔性顯示屏、可穿戴設備、電子皮膚和智能醫(yī)療設備等。這些材料相比傳統(tǒng)剛性半導體，能更好地適應不規(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，難以滿足柔性半導體對柔韌性的要求。相對而言，有機半導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，成為柔性半導體的理想選擇。
目前，柔性半導體技術已廣泛應用于柔性顯示器、可穿戴設備、電子皮膚和柔性太陽能電池等領域。通過將氧化物半導體或有機半導體應用于顯示面板，屏幕可以實現彎曲或折疊。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，應用于機器人觸覺、假肢和醫(yī)療設備中。
此外，有機半導體和二維材料可集成在建筑物、窗戶和服裝表面，為移動電子設備提供可持續(xù)電源?；谔技{米管和有機半導體的柔性晶體管，使可折疊、卷曲的電子設備設計更加多樣化，推動了可穿戴設備和下一代便攜式電子產品的發(fā)展。
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用中展現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用于集成度要求較低的領域，如汽車電子、柔性顯示屏、可穿戴設備和分布式能源等。對于手機芯片和CPU等復雜制造系統(tǒng)，硅基材料仍占主導地位。非硅基材料面臨一系列技術和市場挑戰(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，但在復雜晶體管電路中難以實現穩(wěn)定控制。有機半導體因其分子結構的局限性，在高頻或高功率應用中表現不佳。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：硅基半導體經過多年的發(fā)展，已形成成熟的制造體系，包括龐大的供應鏈和技術生態(tài)，能夠實現高質量和低成本的大規(guī)模生產。而非硅基材料的制造工藝和供應生態(tài)仍處于早期階段，許多材料難以與現有硅基工藝兼容，且制造過程中常涉及新技術，導致流程復雜、成本高。市場接受度和標準化不足：非硅基材料的市場尚不成熟，應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，非硅基材料的標準化體系尚未建立，產品規(guī)格、質量標準和測試方法等缺乏統(tǒng)一標準，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，并拓寬了半導體的應用邊界，但硅基半導體的主導地位仍然不可動搖。未來，兩者可能會并行發(fā)展并實現混合集成。
參考資料
[1]?https://cbic.pku.edu.cn/info/1017/1297.htm
[2]?https://www.nepconchina.com/zh-cn/mtzx/hyxw/2023/6yue/52.html
[3?https://scitechdaily.com/mit-discovers-semiconductor-that-can-perform-far-better-than-silicon/
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