半導體材料新方向,雲南大學發現最佳晶片材料,比矽片強好多

科技     2021年10月23日

如今晶片的應用十分廣泛,已經滲透到生活的方方面面,大到機器、設備、飛機、新能源汽車,小到智能電視和手機,他們都離不開指甲蓋大小的晶片,不過晶片的製造過程卻十分繁瑣,光是矽片的提純就難倒眾多英雄漢。

半導體材料新方向,雲南大學發現最佳晶片材料,比矽片強好多

到目前為止,也只有少數幾家歐美公司可以製造出高純度矽片,而且隨著以後晶片製成越來越低,矽片暴露出的缺點也越來越多,也就是說矽片已經滿足不了未來晶片的發展需求,為此很多科研機構和高等院校都在研發新型半導體材料,最近國內的雲南大學就先拔頭籌,率先一步開發出最新的半導體材料硫化鉑。

眾所周知,矽片的局限性越來越大,暴露出來的缺點也越來越多。首先就是矽片的提純越來越難,要製造晶片就需要純度非常高的矽片,晶片工廠要降低生產成本,又需要大尺寸矽片,但是尺寸越大的矽片提純技術也越困難,所以大尺寸矽片製造技術就被幾家寡頭公司所壟斷,這也導致晶片製造的成本高。

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其次,矽晶片的性價比不高,同樣製成的晶片,矽晶片的性能遠遠低於碳基晶片,功耗卻高於碳基晶片,基於碳材料的成熟製成,晶片性能和功耗等同於七納米的矽基晶片,由此可見探擊晶片的無限潛力。還有就是目前的晶片製成將要達到矽片的物理極限,由於矽片的物理特性,很多科學家斷言基於矽片的最先進位程很可能會停留在兩納米。

最後就是矽基晶片的產線成本太高,目前矽基晶片的製造需要很多高精密設備,越先進的製程需要的設備就越多,投資也就越大,一條先進位成的產線動輒需要上百億美元的投入,這已經超出很多中小國家的預算。

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基於以上幾點原因,相關企業和院校開發新型半導體材料已是箭在弦上、勢在必行。台積電為了保持優勢,選擇半金屬材料鉍元素,作為世界晶片代工巨頭,台積電早就知道矽基晶片的局限性,他們早就在尋找矽片的替代品,希望藉此延續台積電在晶片製造領域的領導地位。

但是鉍元素的缺點也是非常明顯,首先就是鉍元素在地球上的含量非常少,根據相關單位的統計,全世界的鉍元素含量也只有三十多萬噸,比白銀還稀有,而且大部分鉍元素都位於中國,其次就是鉍元素的提純工藝非常複雜,提純後的鉍非常柔軟,想在鉍上面雕刻線路圖非常困難。

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而且台積電被西方資本控制,自然不會希望原材料被我們掌控,所以鉍元素大機率會無疾而終,除了鉍元素外,還有一種碳基材料也備受科研人員的青睞,那就是石墨烯,石墨烯有很大的優勢和潛力,但是石墨烯也存在一些缺點,比如石墨烯吸收光源的能力低下,而且目前還停留在實驗室階段,難以大規模量產,成本降不下來。

我國雲南大學的楊鵬團隊另闢蹊徑,他們針對石墨烯的缺點,找到一種類石墨烯的材料硫化鉑,他作為類石墨烯材料,不僅繼承了石墨烯的優點,還完美避過了石墨烯的部分缺點。其一,硫化鉑取之不盡、用之不竭,硫化鉑是一種化合物,可以通過簡單的化學反應獲得,所以根本不用為硫化鉑的來源擔心。

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其二,硫化鉑的提純也相對容易,和矽片的提純難度不一樣,硫化鉑可以由化學反應獲得,只要確保化學反應的嚴謹,基本就可以保證硫化鉑的純度。其三,基於硫化鉑的晶片研製更加簡單,周期也會大大縮短,可以節省大量人力、物力,為相關企業節約大量成本。

其四,硫化鉑的晶片性能更好,硫化鉑很好地保持了石墨烯的特性,基於硫化鉑製造出來的晶片性能和功耗堪比先進兩代的矽基晶片。其五,有了硫化鉑這種新型半導體材料,晶片產線也不再需要那麼多工序和機器,由此可見硫化鉑超高的性價比。

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硫化伯正是因為有含量高、容易提純、性能好等幾大優點,所以他也被很多專家認為是未來半導體材料的首選或許半導體材料和設備長期被西方國家把持,半導體發展的方向也被他們所主導,如今通過雲南大學科研工作者的努力,我們首次在半導體材料上追平西方國家,為以後國產晶片的發展奠定了堅實基礎。

對於國內的半導體從業人員來說,突破技術瓶頸、追趕西方先進技術並實現反超是他們奮鬥的目標,而半導體材料就是最關鍵的地基,之後的晶片設計和製造風色都是基於晶片材料,也就是說晶片材料就相當於之後的半導體標準,而掌握了標準就等於獲得了先機。

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當然雲南大學只是一個開始,我們在半導體領域還有很多短板,距離世界先進水平還有很大差距,我們還需要幾十座雲南大學,需要幾百個楊鵬團隊的不懈努力才能在晶片領域內拔得頭籌。