伴隨著新能源、5G、人工智能等新技術的爆發(fā)式發(fā)展，全球對基于高質量半導體材料的芯片需求猛增。而美國近年來試圖在半導體芯片領域對中國“卡脖子”，更讓中國民眾對半導體產(chǎn)業(yè)的關注度空前高漲。近日，華為公司與哈爾濱工業(yè)大學聯(lián)合申請的“一種基于硅和金剛石的三維集成芯片的混合鍵合方法”專利公布，引發(fā)了科技界的廣泛關注。事實上，在新一代半導體材料領域，各國也都在紛紛發(fā)力。

       金剛石半導體優(yōu)勢有多大

       專利材料顯示，華為公司與哈爾濱工業(yè)大學聯(lián)合申請的這項發(fā)明專利實現(xiàn)了以Cu/SiO2混合鍵合為基礎的硅/金剛石三維異質集成。外界分析稱，這一技術的突破之處在于，它成功地將硅和金剛石這兩種性質迥異的材料結合在一起，開創(chuàng)了芯片制造領域的新思路。新興技術的不斷發(fā)展，對芯片性能的要求越來越高，傳統(tǒng)的硅基芯片雖然在一定程度上滿足了這些需求，但在某些特定領域如高功率、高溫等環(huán)境下仍存在一定的局限性。而金剛石作為具有優(yōu)異熱學、電學和力學性能的材料，被認為是下一代芯片的理想選擇之一。

在金剛石薄膜上制造的半導體器件

       對于金剛石半導體寄予厚望的還有日本。《日本經(jīng)濟新聞》網(wǎng)站稱，日本初創(chuàng)企業(yè)OOKUMA公司計劃將被稱為“終極半導體”的金剛石半導體推向實用化，最早將在2026年度投產(chǎn)。報道稱，日本佐賀大學的研究表明，與現(xiàn)在主流的硅基半導體相比，金剛石半導體可在5倍的高溫和33倍的高電壓下工作。性能也比常見的第三代半導體——碳化硅和氮化鎵出色。這種特性讓它有望用于更高電壓環(huán)境下的純電動汽車、高速通信及衛(wèi)星通信等領域。

       報道稱，OOKUMA公司生產(chǎn)的金剛石半導體器件將首先用于福島第一核電站的核廢料處理。為查看和清理福島第一核電站堆芯熔毀后留下的熔融燃料，只有耐受極高輻射強度的機器人才能勝任。但普通半導體器件在這種極端環(huán)境下的壽命非常短，而OOKUMA公司發(fā)現(xiàn)，金剛石半導體器件在450攝氏度的高溫和輻射強度極高的惡劣環(huán)境下也能正常工作。此外，為保護半導體器件免受強輻射和高溫環(huán)境的影響，原本需要用沉重的鉛包裹機器人的核心部分，并配備專門的冷卻裝置，而配備金剛石半導體后，就可以省去這些裝置，從而減輕機器人重量，提高工作效率。OOKUMA公司計劃以處理核電站廢堆為契機量產(chǎn)金剛石半導體。為力爭應用于衛(wèi)星通信，該公司與三菱電機等啟動了聯(lián)合研究。年內(nèi)還將與日本廠商推進用于純電動汽車器件的開發(fā)。

       第三代半導體材料高速發(fā)展

       金剛石半導體是如今備受關注的第三代半導體材料之一。西北工業(yè)大學深圳研究院博士后李穎銳對《環(huán)球時報》記者介紹說，半導體是一系列常溫下導電性能介于導體與絕緣體之間的材料的總稱，常見的半導體材料有硅、鍺、砷化鎵等。半導體的導電性具有可控性，可以通過添加雜質（摻雜）或改變溫度來調整其導電性能。運用半導體材料的特點，能夠制作出通過一個端口的電壓或電流控制另一個端口電壓或電流的半導體器件——晶體管。將晶體管與電阻、電容以及其他無源器件的元件相互連接，就形成了一個集成電路。而芯片的本質是在半導體襯底上（也稱作“晶圓”）制作能實現(xiàn)一系列特定功能的集成電路。

       據(jù)介紹，第一代半導體材料是指硅、鍺為代表的元素半導體材料，應用極為普遍，目前90%以上的半導體產(chǎn)品是用硅基材料制作的；第二代半導體材料是以砷化鎵、磷化銦為代表的化合物材料。李穎銳認為，從材料的角度說，未來發(fā)展方向必然是寬禁帶半導體。禁帶寬度是半導體的一個重要特征參量，其大小主要決定于半導體的能帶結構，即與晶體結構和原子的結合性質等有關。禁帶寬度決定了半導體在不同溫度和電場下的導電性能，寬禁帶半導體能夠在更高的溫度、電壓和頻率下運行，從而降低損耗、提高效率，這一優(yōu)勢對于新能源汽車和5G通信、航天航空和軍事系統(tǒng)等領域尤其重要，也可以應用于更復雜的環(huán)境。寬禁帶半導體一般被稱作第三代半導體，主要包括碳化硅、氮化鎵、氧化鋅、金剛石、氮化鋁等，優(yōu)點是禁帶寬度大（>2.2ev）、擊穿電場高、熱導率高、抗輻射能力強、發(fā)光效率高、頻率高，可用于高溫、高頻、抗輻射及大功率器件，也是目前各國大力發(fā)展的新型半導體器件。

氮化鎵晶圓

       例如已開始廣泛應用的碳化硅半導體器件，相比第一代和第二代半導體材料，擁有良好的耐熱性、耐壓性和極低的導通能量損耗，是制造高壓功率器件與高功率射頻器件的理想材料。而另一種開始大規(guī)模普及的氮化鎵材料，可以顯著增強半導體的性能和設計。與其他材料相比，它可以在更高的頻率下以更高的效率支持更高的增益。氮化鎵具備出色的熱性能以及更高的擊穿電壓，這使得設計和制造體積更小、更薄，又不會影響功耗、可靠性或安全性的半導體材料成為可能。在萬物互聯(lián)的5G物聯(lián)網(wǎng)時代，這是不容忽視的優(yōu)勢。

       新興材料日益獲得關注

       除了第三代半導體材料外，還有更多的新興材料也日益獲得關注。2023年的諾貝爾化學獎被授予“發(fā)現(xiàn)和合成量子點”的三名科學家。所謂量子點是一類微小顆?；蚣{米晶體，即直徑在2-10納米之間的半導體材料，是導帶電子、價帶空穴及激子在三個空間維度上束縛住的半導體納米結構。除了在顯示和照明領域的應用外，諾貝爾化學獎委員會稱，未來量子點還有望在量子計算、柔性電子產(chǎn)品、微小傳感器、更薄的太陽能電池等領域做出貢獻。

       此外，石墨烯等二維材料在半導體領域的應用也受到廣泛研究。石墨烯是一個由單層碳原子組成的二維材料，它具有出色的電子遷移率和熱導率。這種材料的獨特性質為未來的電子設備提供了新的可能性，如超快速的傳輸器件和高度集成的傳感器。

下一代芯片需要半導體材料的突破式發(fā)展。

       除了材料外，通過其他方面的技術突破，也有望進一步推動半導體技術的進步。李穎銳研究團隊近期推出了新一代半導體光子計數(shù)成像系統(tǒng)，打破了國外的技術封鎖，空間分辨率由毫米級提升到微米級，實現(xiàn)了真正意義的彩色成像。這背后主要依托于團隊對影響光子計數(shù)應用的三大技術進行了突破，其中包含晶體材料、ASIC專用讀出芯片、多能譜成像算法，在晶體解決方案領域達到了國際上的先進水平。

       面臨摩爾定律增速放緩等難題，清華大學自動化系戴瓊海院士團隊近日提出了一種“掙脫”摩爾定律的全新計算架構：光電模擬芯片。視覺任務中實測，其算力達到目前高性能商用芯片的3000余倍。研究團隊在接受《環(huán)球時報》記者采訪時介紹稱，全新的計算框架從最本質的物理原理出發(fā)，結合了基于電磁波空間傳播的光計算，與基于基爾霍夫定律的純模擬電子計算，“掙脫”傳統(tǒng)芯片架構中數(shù)據(jù)轉換速度、精度與功耗相互制約的物理瓶頸，在一枚芯片上突破了大規(guī)模計算單元集成、高效非線性、高速光電接口三個難題。