近日，臺大、臺積電與麻省理工三方聯(lián)手發(fā)現(xiàn)了半金屬鉍（Bi）與二維材料的組合將有助于實現(xiàn)1nm以下的制程，讓材料的威力再一次顯露無疑。

縱觀近年來半導(dǎo)體領(lǐng)域的研究重點，新材料是無可爭辯的第一。有人做出統(tǒng)計，在2010-2020年全球近17萬篇半導(dǎo)體相關(guān)論文中，占比最多之研究領(lǐng)域為材料科學(xué)（62,872篇論文，占比37.23%）及應(yīng)用物理（60,782篇，占比35.99%）。

實際上，尋找硅材料替代者的工作就一直沒有間斷過。在上世紀90年代，憑借更高的電子遷移率，砷化鎵（GaAs）一度被認為是硅材料最有力的接替者。但因制造工藝始終無法突破，砷化鎵終究還是沒能接過重任。

進入新世紀之后，材料學(xué)的發(fā)展突飛猛進，硅材料接替者的名單上增加了很多名字。其中，希望最大就是碳基半導(dǎo)體材料。

碳基半導(dǎo)體是一種在碳基納米材料的基礎(chǔ)上發(fā)展出的，以碳納米管，碳納米纖維，納米碳球、石墨烯等為主的材料，主要利用碳納米管、富勒烯、石墨烯等特殊結(jié)構(gòu)實現(xiàn)晶體管功能。

在碳基半導(dǎo)體材料中，首推碳納米管(Carbon Nanotube ，縮寫為 CNT)，這是一種直徑僅為 1 納米，或十億分之一米的管狀納米級石墨晶體。

根據(jù)IBM研究，10nm技術(shù)節(jié)點后碳納米管芯片在性能和功耗方面都將比硅芯片有明顯改善。從硅基7nm到5nm技術(shù)，芯片速度大約提升20%，而相比硅基7nm技術(shù)，碳納米管基7nm技術(shù)的芯片速度將提升300%。

來自北大彭練矛團隊的研究結(jié)果也有類似的結(jié)果，在14nm技術(shù)節(jié)點碳納米管晶體管的速度和功耗均較硅基器件有10倍以上的優(yōu)勢，進入10nm技術(shù)節(jié)點后這種優(yōu)勢還將繼續(xù)加大。

稍顯尷尬的是，學(xué)術(shù)界發(fā)展了多種制備、提純、排列碳納米管的方法，但是始終無法接近實用化區(qū)域。這使得碳納米管晶體管和電路的實際性能遠低于理論預(yù)期，甚至落后于相同技術(shù)節(jié)點的硅基技術(shù)至少一個量級。

不過，突破也就在悄然間發(fā)生了。2019年，麻省理工學(xué)院馬克斯·舒拉克團隊開發(fā)出全球首款碳納米管通用計算芯片RV16X-NANO。該微處理器芯片基于RISC-V指令集，在16位數(shù)據(jù)和地址上運行標準32位指令，所具有的晶體管數(shù)量超過1.4萬個，并采用行業(yè)標準流程和工藝進行設(shè)計和制造，可執(zhí)行指令獲取、解碼、寄存器、執(zhí)行單元和寫回存儲器等功能。

并且，舒拉克還在DARPA電子復(fù)興倡議（ERI）峰會上，展示了碳納米管+RRAM通過ILV技術(shù)堆疊的3DIC晶圓，標志著碳納米管走向商業(yè)化和大規(guī)模應(yīng)用已提上了議程。

另外一種非常具有潛力的材料就是石墨烯。石墨烯納米帶的二維晶格結(jié)構(gòu)具有高導(dǎo)電率、高導(dǎo)熱率和低噪聲，因為是一種非常理想的集成電路材料。

2008年IBM公司的Watson研究中心在世界上率先制成低噪聲石墨烯晶體管。通過重疊2層石墨烯，在層間生成了強電子結(jié)合，IBM成功控制了納米材料特有的1/f噪音。并且，IBM公司的Ming-YuLin的發(fā)現(xiàn)證明，2層石墨烯有望應(yīng)用于各種各樣的領(lǐng)域。

相比于硅晶體管，石墨烯晶體管優(yōu)勢在于其晶體管晶格高度穩(wěn)定，即使在單碳原子厚度下還能穩(wěn)定工作，而硅材料晶體管在10nm以下便會失去穩(wěn)定性。美國IBM公司研究人員曾對石墨烯晶體管進行模擬仿真實驗。實驗結(jié)果表明，當石墨烯晶體管的柵極尺寸為150nm時，頻率可高達26GHz，而當這一尺寸縮小為50nm時，其頻率將突破1THz，這一數(shù)據(jù)遠高于現(xiàn)有的硅基晶體管。不過，晶體管制備上，石墨烯晶體管性能仍遜于碳納米管晶體管。

除了碳基材料之外，多種多樣的化合物半導(dǎo)體材料也展示了強大的潛能。比如，奧地利維也納技術(shù)大學(xué)與歐盟石墨烯旗艦項目的科研人員就制造出一種由二硫化鉬（MoS2） 組成的晶體管，并用115個這樣的晶體管構(gòu)成了一種新型柔性微處理器。諸如此類的報道還可以見到很多，足以說明化合物半導(dǎo)體的熱度之高。

還要提到的是，在全世界大熱的第三代半導(dǎo)體材料（GaN和SiC），雖然不能用在主流工藝上，但是也將在其他領(lǐng)域取代硅，因此也是一種替代者。

國家競賽與商業(yè)化

材料的研究，一向被視為國家實力的象征。

美國作為經(jīng)濟技術(shù)發(fā)展強國，其材料領(lǐng)域全面發(fā)展、領(lǐng)跑國際。自奧巴馬政府以來，美國在國家層面上對新材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提出多項計劃，包括材料基因組計劃、先進制造業(yè)國家戰(zhàn)略計劃、國家納米計劃及國家制造業(yè)創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)計劃，涉及納米材料、先進材料及碳纖維復(fù)合材料等多個領(lǐng)域，強有力的政策支持及資本年投入，加之美國積累多年的材料產(chǎn)業(yè)巨頭、國際頂尖科研機構(gòu)等優(yōu)勢條件，使美國在新材料產(chǎn)業(yè)技術(shù)上全面發(fā)展，掌握眾多核心技術(shù)。

得益于強大的材料科技基礎(chǔ)，日本在全球高技術(shù)領(lǐng)域有著舉足輕重的地位，特別是在電子信息材料、納米材料、半導(dǎo)體材料、碳纖維復(fù)合材料、特種鋼等領(lǐng)域。同樣，韓國作為新材料產(chǎn)業(yè)技術(shù)的新晉優(yōu)秀成員實力不容小覷。秉承“先驅(qū)者而非追隨者”的理念，韓國依托強大的科研團隊及諸如三星、LG等制造業(yè)巨頭，在顯示材料、存儲材料、石墨烯材料等領(lǐng)域保持著優(yōu)勢地位。

在碳基半導(dǎo)體材料的研究上，美歐從2010年前后就投入了很多研發(fā)力量和資金支持。2009年，國際半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展路線圖委員會將碳基納米材料列入延續(xù)摩爾定律的未來集成電路技術(shù)選項。美國國家科學(xué)基金會2008年專門啟動了“超越摩爾定律的科學(xué)與工程”項目，用以資助硅技術(shù)可能替代者的研究，其中碳基納米電子學(xué)研究被視為重中之重。此外，已執(zhí)行了十余年的美國國家納米技術(shù)計劃，除了通過常規(guī)途徑繼續(xù)對碳納米材料和器件給予重點支持，還于2011年設(shè)立了“2020年后的納米電子學(xué)”研究專項，每年專項資金高達上億美元。歐盟同樣對碳基納電子技術(shù)進行了重點支持，其于2013年啟動“石墨烯旗艦計劃”，用以資助石墨烯及相關(guān)二維材料的研究，期望以此推動信息領(lǐng)域、通信領(lǐng)域的技術(shù)革命。

與之相對，我國在碳基材料的研究上也不落人后。在2008年，北大彭練矛團隊就突破了n型碳納米管制備這一跨世紀難題，創(chuàng)造性地研發(fā)出一整套高性能碳納米管晶體管的無摻雜制備方法，并在2017年首次制備出柵長5nm的晶體管，同時證明了碳納米晶體管可以在達到理論極限時克服短溝道效應(yīng)

2019年，清華大學(xué)化學(xué)工程系魏飛教授團隊，實現(xiàn)在長度達到154mm后可實現(xiàn)99.9999%超長半導(dǎo)體管陣列的一步法制備。

2020年，彭練矛、張志勇團隊突破了半導(dǎo)體碳納米管關(guān)鍵的材料瓶頸，且制備出的器件和電路在真實電子學(xué)表現(xiàn)上首次超過了硅基產(chǎn)品。

在石墨烯方面，國內(nèi)的研究也屢有突破。2019年，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所謝曉明團隊首次在較低溫度條件下采用化學(xué)氣相沉積外延成功制備6英寸無褶皺高質(zhì)量石墨烯單晶晶圓，成功將外延生長石墨烯單晶的生長溫度從1000℃成功降低到750℃。

2019年，北京大學(xué)劉忠范院士與彭海琳教授聯(lián)合團隊循著外延襯底制備-石墨烯外延生長這一研究思路，首先制備了4英寸CuNi銅鎳合金單晶薄膜，并以其為生長基底實現(xiàn)了4英寸石墨烯單晶晶圓的超快速制備。

彭練矛在接受媒體采訪時就曾表示，我國的碳基半導(dǎo)體研究是代表世界領(lǐng)先水平的。與國外硅基技術(shù)制造出來的芯片相比，我國碳基技術(shù)制造出來的芯片在處理大數(shù)據(jù)時不僅速度更快，而且至少節(jié)約30%的功耗。

當前，碳基材料或其他新材料面臨的最大障礙還是來自于市場。行業(yè)人士就認為，新材料在嘗試融入現(xiàn)有供應(yīng)鏈時面臨著懷疑和停滯。

負責澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織的物理學(xué)家Amanda Barnard2014年接受采訪時表示：“我們已經(jīng)從全球硅芯片中獲得了數(shù)萬億美元的投資，我們還不會離開這塊利潤豐厚的領(lǐng)域。”

不過，隨著先進制程往下推進越來越艱難，新材料的局面正逐漸打開，而其也為半導(dǎo)體技術(shù)帶來了新的機遇。正所謂“不破不立“，在半導(dǎo)體晶體管發(fā)明百年之后，新材料的出現(xiàn)將可能徹底改寫現(xiàn)代科技的面貌。