科学家攻克难题，硅基材料迎来技术突破，1nm芯片有望成为现实

1. 科学家攻克难题，硅基材料迎来技术突破，1nm芯片有望成为现实

如今，摩尔定律已在失效的边缘，集成电路中可容纳的晶体管数目已到极限。虽然台积电、三星仍在推进3nm，乃至2nm制程，但接下来的研发无疑愈发艰难，成本也会更高。
  
 目前，制造晶体管的主要材料为三维硅材料，但已经走到硅基材料的极限。
     
 如今，5nm工艺晶体管密度高达1.713亿个/平方毫米。基于该工艺而成的苹果A14芯片，共集成了118亿晶体管，然而新工艺却让A14的性能提升十分有限。
  
 
  
  
 而且，专业机构ICmasters指出，苹果A14芯片的晶体管密度与此前台积电宣称数额相差巨大，质疑台积电5nm工艺虚标。
  
 
  
  
 而基于三星5nm工艺的骁龙888，也被曝光功耗翻车。如此看来，芯片制程向前推进已经十分艰难。
     
 硅基芯片的未来方向，成为了业界热议的话题。为此，不少业界人士选择从半导体材料入手，攻克这一难题。
  
 日前，美国宾夕法尼亚大学科学家便在半导体材料上，实现突破。
  
 
  
  
 快 科技 报道，在《自然-通讯》杂志上，美国科学家表示其成功研制一种超薄二维材料晶体管，为突破摩尔定律带来了希望。
     
 据了解，该二维材料产生的厚度比当前的三维材料薄10倍。这表示，芯片中可容纳的晶体管数量更多，想要存储与处理更多的数据，便需要更多的晶体管。
  
 
  
  
 实验中，科学家利用来自宾夕法尼亚大学的二维晶体联盟NSF材料创新平台的，金属-有机化学相沉积技术，生长了单层二硫化钼与二硫化钨。
  
 
  
  
 而且，科学家对阈值电压、场效应载流子迁移率、接触电阻等多项指标进行了统计与分析，证明了新二维晶体管的性能。
     
 宾夕法尼亚大学助理教授普塔什达斯表示，这一系列测试印证了新晶体管的可行性，表示新晶体管能让下一代芯片更快、更节能，且承载更多存储和数据处理性能。
  
 
  
  
 这一新晶体管的发现，预示着1nm工艺或许能更快到来，带来更强悍的性能。
  
 目前摩尔定律即将终结，在后摩尔时代，一场新的变革正在酝酿之中，或许将掀起一场半导体行业的大洗牌。
     
 先进封装、碳基材料等，都被看作未来的发展方向，带来了新的机遇与挑战。
  
 
  
  
 目前，我国半导体产业落后，这对我国来说或许是一次超车的机会，我国能否抓住这一机遇，就让我们拭目以待。

2. 制造芯片的关键材料，中企募资14.5亿，有望打破技术垄断

 近两年，国内掀起了芯片行业投资建设的高潮， 阿里、格力等一众玩家相继入局，仅在2019年，国内就有12座晶圆厂投产。 而且，根据国务院下发的芯片产业发展文件， 从2020年到2025年，我国芯片自给率要由30%提升到70%。 可以预见，未来四五年时间里，我国晶圆厂数量将会稳定增加。
      这意味着芯片制造厂的上游产业将迎来发展良机，也是因此，目前不少企业都在集资，用于研究制造芯片的关键材料 。而在11月3日，中国 科技 巨头——上海新阳对外公布了定增预案，内容显示，公司预计募资14.5亿人民币，用于芯片制造新化学材料的研发。 
      值得一提的是，目前公司部分项目已经取得突破 ，未来上海新阳有望率先打破国外企业在光刻胶领域的技术垄断，填补国内市场空白 。
   根据上海新阳给出的信息，公司光刻胶项目将会在2023年前力争实现产品产业化，这也将成为上海新阳的第三大核心业务，量产后该项目年营收将突破2亿大关。
      公开资料显示： 上海新阳最初凭借半导体封装领域的第一代电子电镀技与电子清洗技术起家，在过去十多年时间里，上海新阳一直是该技术方面的领导者 ，而且上海新阳非常注重技术研发，每年研发投入都占到总营收的9%以上，这一比例超过了绝大多数的 科技 公司，也让上海新阳获得了第二代电子电镀与电子清洗技术。
       目前，上海新阳在国内半导体化学材料方面，销量和市占率全国领先，也是国内技术最先进的企业 。
   最重要的是，上海新阳掌握着半导体化学材料制造的最关键技术， 这意味着只要上海新阳能够做大，公司的产品就可以对海外进口材料进行全面替代 ，中国半导体制造企业再也不必担心出现材料卡脖子的问题。
       长远来看，上海新阳在吸纳这笔资金后，所获得的技术提升以及产能提升，将可以直接促进本土芯片产业发展 ，让中国半导体产业链变得更完善。
   不出意外，上海新阳将稳坐国产芯片化学材料市场一哥宝座，你对公司的发展前景怎么看，不妨谈谈你的观点。
   文/JING 审核/子扬 校正/知秋

3. 新一代材料革命正酝酿，中国能否终结硅时代，实现芯片全面领先？

硅时代的诞生
1883年，爱迪生发现了爱迪生效应，为电子器件的诞生奠定了基础。

1896年，弗莱明在爱迪生效应的基础上发明了真空二极管，这是人类历史上的第一支电子器件，后来，但因为耗电量大、寿命短，1950年，贝尔实验室发明的PN结型晶体管取代了二极管，开辟了电子器件的新纪元。

当时晶体管的材料主要是锗，1958年，杰克·基尔比发明了锗的集成电路，而罗伯特·诺伊斯则发明了基于硅的集成电路，相比于晶体管，集成电路具有微小型化、高集成化、低功耗、智能化和高可靠性等优点，这使得微处理器的出现成为了可能，是一场新的电子革命，而硅也走上了历史舞台。

罗伯特·诺伊斯
后来，随着集成电路在日常生活里的广泛运用，像存储芯片的诞生、个人电脑的出现等等，锗的缺陷也开始慢慢暴露，比如产量过低，导致成本过高；氧化物不稳定，导致了制作器件难度大；禁带宽度过低，禁带宽度是指组电的能力，过低就容易被击穿，静态功耗增大；达不到硅的纯度还有低界面态密度。

1964年推出的IBM360，堪称划时代的电脑产品，改变了计算机行业的发展进程，五年后，已安装的IBM计算机的全球库存总值已增加到240亿美元，竞争对手的库存总值达到90亿美元。换句话说，IBM360大幅增加了市场对计算的整体需求，促进了成千上万的企业组织越来越广泛地使用计算机，推动了计算机在生活中的普及。
这种种的缺点导致了锗开始退出历史舞台，芯片产业迎来了硅时代。整个芯片产业都是围绕硅来展开，无论是制造芯片的设备，还是芯片自身的材料等，都是围绕硅而展开的，由硅制造的数十亿的晶体管继承在硅片之上，这些晶体管成为了信息时代流动的血液，形成各种文字、数字、声音、图像和色彩，便捷了人类的生活。
可以说，硅（Si）作为集成电路的最基础材料，是构建整个现代文明社会的砖石，我们的吃穿住行都离不开由硅构建的半导体产业形成的产品，它是人类社会近几十年快速发展的基石，而作为硅时代的缔造者，美国也在芯片产业中具有无可比拟的话语权。

无论是存储芯片还是非存储芯片，抑或是围绕着芯片而诞生的设计工具EDA，都是欧美掌握着话语权，中国虽然能够生产芯片，但大多是低端产品，如FPGA、射频芯片等等，高端都是由美国垄断。
随着摩尔定律逼近极限，人类对芯片制程的探索从微米到纳米，硅的缺陷也开始慢慢暴露，如果中国想要在芯片产业全面领先世界，那么就需要亲手终结硅时代，发起新的材料革命，引领新的潮流。
新一代材料革命正在酝酿
随着半导体产业对芯片的探索达到了1nm，硅材料的带隙较窄、电子迁移率和击穿电场较低的缺陷也开始慢慢显现，而且硅在光电子领域和高频高功率器件方面的应用受到诸多限制，在高频下工作性能较差，不适用于高压应用场景，光学性能也得不到突破。
所以科学家一直想要发起新一次的材料革命，终结硅时代，从而促进电子器件的新一次革命发展，让更多的电子产品成为可能。材料革命也被认为是第四次革命的突破口之一。

由于科学家并不难确定什么样的材料能够替代硅，所以提出了许多的方案，比如石墨烯、碳纳米管、碳化硅、氮化镓等，
任正非曾对石墨烯的未来寄予了厚望，他曾经在采访中提到：
这个时代将来最大的颠覆，是石墨烯时代颠覆硅时代，但是颠覆需要有继承性发展，在硅时代的成功者最有希望成为石墨烯时代的成功者，每一次新型材料的更迭，都会引发一场材料革命，都代表着一个社会的进步，一个时代的进步，从目前来看，现在依旧是硅时代。
碳纳米管也是热门选手之一，美国多个科研团队通过实验发现，当硅材料逼近极限的时候，碳纳米管是一种很好的替代材料。
碳化硅、氮化镓被认为属于第三代宽禁带材料，材料端在半导体行业内共分为三代：第一代元素半导体材料，如硅（Si）和锗(Ge)；第二代化合物半导体材料：如砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）等；第三代宽禁带材料，如碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）、氮化铝（ALN）、氧化镓（Ga2O3）等。其中碳化硅、氮化镓被认为是黄金选手。

石墨烯和碳纳米管甚至碳化硅都属于低维碳材料，中国科学院院士刘忠范也认为：
地球上碳的储量非常丰富，在地壳中排行第四，空气中也有大量的碳。随着富勒烯、石墨烯等的发现，碳材料的应用正日益广泛。比如具有完美的一维纳米结构的碳纳米管，密度低，机械强度高，具有极好的导热导电性能。
也就是说取代硅时代的将极有可能是碳时代。而一旦新的材料时代到来，芯片将会以新的面貌出现，芯片设计厂商、芯片设备厂商、晶圆加工厂商原有的垄断格局将彻底打破，举一个例子，台积电目前的产线就要全部更换，原有的技术积累全部清零，又要重新开始，高通英特尔也是如此，我们心中一直的痛光刻机，也在新材料的到来下变为废铁，可以说到时候中西方都在同一起跑线，而谁能亲手终结硅时代，那么谁就可以率先抢跑。

目前各国发展情况
目前来看，中美属于第一梯队，美国相较中国领先，而日韩欧三国则处于第二梯队，其他国家则只有当观众的份，重在参与的资格都没有。
中国目前在石墨烯、碳纳米管等多个新材料领域都取得了不错的成绩，而且依托于中国庞大的市场需求，容易催生新的产业。
中国目前也在大力倡导2025计划，关注颠覆性新材料对传统材料的影响。中国在这场博弈中不会和上一次一样，连参与的机会都没有。

可以预见的是，新一代材料革命正在酝酿，在2020年开启的20世代里，新材料革命将如星星之火，彻底终结到达极限的硅时代，新一代的王者将诞生，而人类社会也将发生巨变。

4. 为什么芯片要用硅作为半导体材料，而不用其他的？

理论上所有半导体都可以作为芯片材料，但是硅的性质稳定、容易提纯、储存量巨大等等性质，是所有半导体材料中，最适合做芯片的。
在晶体管（二极管、三极管等等）未发明之前，初期电子计算机使用的是电子管，但是电子管体积巨大、功耗高、寿命短；人类第一台电子计算机使用18000个电子管，重30吨，占地150平方米，耗电功率高达150千瓦，但是其运算能力远远赶不上如今的一台掌上计算机。


后来科学家发明了晶体管，晶体管功耗低、体积小且寿命长，最早的晶体管是使用半导体材料锗来制作的，从此微电子出现在人们视野当中。
晶体管可以简单地理解为一种微型的开关，根据不同的组合设计，具有整流、放大、开关、稳压等等功能；制作晶体管的关键就是半导体材料，因为半导体材料一般具有特殊性质，比如硅掺入磷元素可以形成N型半导体，掺入硼元素可以形成P型半导体。


我们把N型半导体和P型半导体进行组合，可以形成PN结，这是电子芯片当中的重要结构，我们把各种结构进行组合，就可以完成特定的逻辑运算（比如与门、或门、非门等等）。
理论上，所有的半导体材料都可以作为芯片材料，但是芯片对材料的要求极高，所以真正适合做芯片的半导体材料并不多，比如硅、锗、碳化硅、氮化镓等等。



其中硅因为拥有众多优良特性，使得硅成为芯片的主要材料：
（1）硅元素的含量巨大，地球元素中仅次于氧元素（地球元素含量排行：氧>硅>铝>铁>钙>钠>钾……）。
（2）硅元素提纯技术成熟，制作成本低，最初晶体管使用锗作为芯片材料，是因为当初硅元素的提纯技术不成熟，如今硅的提纯可以达到99.999999999%。
（3）硅元素的性质稳定，包括化学性质和物质性质，比如锗做成晶体管，当温度达到75℃以上时，其导电率有较大变化，而且做成PN结后锗的反向漏电流比硅大，这对芯片的稳定性非常不利。
（4）硅本身是无毒无害的物质，我们常见的很多石头都含有二氧化硅（SiO2）。

5. 硅为什么会成为制作芯片的材料

1、适合。为什么适合呢？譬如半导体特有的导电特性；稳定的化学性质（很难与其他元素发生反应）等。
2、量多。硅在自然界的含量极其丰富，硅元素在地壳中的含量差不多有是30%（石头啊，你说多不多？）。
3、便宜。因为量多，所以便宜，不多解释。关于这点可以追溯到第一块IC的发明——当年德州仪器的Jacob率先发明了基于镍的IC，随后英特尔的诺伊斯发明了基于硅的IC，结果诺伊斯后来居上获得美国专利认证（后来两者都被认为是IC的发明者，Jacob还因此获诺贝尔奖），就是因为硅便宜，适合商用推广。

6. 硅为什么会成为制作芯片的材料？

不是随便抓一把沙子就可以做原料的，一定要精挑细选，从中提取出最最纯净的硅原料才行。试想一下，如果用那最最廉价而又储量充足的原料做成CPU，那么成品的质量会怎样，你还能用上像现在这样高性能的处理器吗？
首先，硅原料要进行化学提纯，这一步骤使其达到可供半导体工业使用的原料级别。而为了使这些硅原料能够满足集成电路制造的加工需要，还必须将其整形，这一步是通过溶化硅原料，然后将液态硅注入大型高温石英容器而完成的。 
而后，将原料进行高温溶化。中学化学课上我们学到过，许多固体内部原子是晶体结构，硅也是如此。为了达到高性能处理器的要求，整块硅原料必须高度纯净，及单晶硅。然后从高温容器中采用旋转拉伸的方式将硅原料取出，此时一个圆柱体的硅锭就产生了。从目前所使用的工艺来看，硅锭圆形横截面的直径为200毫米。不过现在intel和其它一些公司已经开始使用300毫米直径的硅锭了。在保留硅锭的各种特性不变的情况下增加横截面的面积是具有相当的难度的，不过只要企业肯投入大批资金来研究，还是可以实现的。intel为研制和生产300毫米硅锭而建立的工厂耗费了大约35亿美元，新技术的成功使得intel可以制造复杂程度更高，功能更强大的集成电路芯片。而200毫米硅锭的工厂也耗费了15亿美元。下面就从硅锭的切片开始介绍CPU的制造过程。 
在制成硅锭并确保其是一个绝对的圆柱体之后，下一个步骤就是将这个圆柱体硅锭切片，切片越薄，用料越省，自然可以生产的处理器芯片就更多。切片还要镜面精加工的处理来确保表面绝对光滑，之后检查是否有扭曲或其它问题。这一步的质量检验尤为重要，它直接 决定了成品CPU的质量。 
新的切片中要掺入一些物质而使之成为真正的半导体材料，而后在其上刻划代表着各种逻辑功能的晶体管电路。掺入的物质原子进入硅原子之间的空隙，彼此之间发生原子力的作用，从而使得硅原料具有半导体的特性。今天的半导体制造多选择CMOS工艺（互补型金属氧化物半导体）。其中互补一词表示半导体中N型MOS管和P型MOS管之间的交互作用。而N和P在电子工艺中分别代表负极和正极。多数情况下，切片被掺入化学物质而形成P型衬底，在其上刻划的逻辑电路要遵循nMOS电路的特性来设计，这种类型的晶体管空间利用率更高也更加节能。同时在多数情况下，必须尽量限制pMOS型晶体管的出现，因为在制造过程的后期，需要将N型材料植入P型衬底当中，而这一过程会导致pMOS管的形成。 
在掺入化学物质的工作完成之后，标准的切片就完成了。然后将每一个切片放入高温炉中加热，通过控制加温时间而使得切片表面生成一层二氧化硅膜。通过密切监测温度，空气成分和加温时间，该二氧化硅层的厚度是可以控制的。在intel的90纳米制造工艺中，门氧化物的宽度小到了惊人的5个原子厚度。这一层门电路也是晶体管门电路的一部分，晶体管门电路的作用是控制其间电子的流动，通过对门电压的控制，电子的流动被严格控制，而不论输入输出端口电压的大小。 
准备工作的最后一道工序是在二氧化硅层上覆盖一个感光层。这一层物质用于同一层中的其它控制应用。这层物质在干燥时具有很好的感光效果，而且在光刻蚀过程结束之后，能够通过化学方法将其溶解并除去。 
 补充： 
之后还要进行光刻蚀，然后掺杂，再重复等等操作，可谓是百炼成钢。
详见参考资料： http://diy.zol.com.cn/2004/1105/129342.shtml

7. 为什么芯片要用硅作为半导体材料，而不用其他的呢？

理论上所有半导体都可以作为芯片材料，但是硅的性质稳定、容易提纯、储存量巨大等等性质，是所有半导体材料中，最适合做芯片的。
在晶体管（二极管、三极管等等）未发明之前，初期电子计算机使用的是电子管，但是电子管体积巨大、功耗高、寿命短；人类第一台电子计算机使用18000个电子管，重30吨，占地150平方米，耗电功率高达150千瓦，但是其运算能力远远赶不上如今的一台掌上计算机。

后来科学家发明了晶体管，晶体管功耗低、体积小且寿命长，最早的晶体管是使用半导体材料锗来制作的，从此微电子出现在人们视野当中。
晶体管可以简单地理解为一种微型的开关，根据不同的组合设计，具有整流、放大、开关、稳压等等功能；制作晶体管的关键就是半导体材料，因为半导体材料一般具有特殊性质，比如硅掺入磷元素可以形成N型半导体，掺入硼元素可以形成P型半导体。

我们把N型半导体和P型半导体进行组合，可以形成PN结，这是电子芯片当中的重要结构，我们把各种结构进行组合，就可以完成特定的逻辑运算（比如与门、或门、非门等等）。
理论上，所有的半导体材料都可以作为芯片材料，但是芯片对材料的要求极高，所以真正适合做芯片的半导体材料并不多，比如硅、锗、碳化硅、氮化镓等等。

其中硅因为拥有众多优良特性，使得硅成为芯片的主要材料：
（1）硅元素的含量巨大，地球元素中仅次于氧元素（地球元素含量排行：氧>硅>铝>铁>钙>钠>钾……）。
（2）硅元素提纯技术成熟，制作成本低，最初晶体管使用锗作为芯片材料，是因为当初硅元素的提纯技术不成熟，如今硅的提纯可以达到99.999999999%。
（3）硅元素的性质稳定，包括化学性质和物质性质，比如锗做成晶体管，当温度达到75℃以上时，其导电率有较大变化，而且做成PN结后锗的反向漏电流比硅大，这对芯片的稳定性非常不利。
（4）硅本身是无毒无害的物质，我们常见的很多石头都含有二氧化硅（SiO2）。

8. 为何芯片要用硅作为半导体材料，怎么不用其他的？

理论上所有半导体都可以作为芯片材料，但是硅的性质稳定、容易提纯、储存量巨大等等性质，是所有半导体材料中，最适合做芯片的。
在晶体管（二极管、三极管等等）未发明之前，初期电子计算机使用的是电子管，但是电子管体积巨大、功耗高、寿命短；人类第一台电子计算机使用18000个电子管，重30吨，占地150平方米，耗电功率高达150千瓦，但是其运算能力远远赶不上如今的一台掌上计算机。

后来科学家发明了晶体管，晶体管功耗低、体积小且寿命长，最早的晶体管是使用半导体材料锗来制作的，从此微电子出现在人们视野当中。
晶体管可以简单地理解为一种微型的开关，根据不同的组合设计，具有整流、放大、开关、稳压等等功能；制作晶体管的关键就是半导体材料，因为半导体材料一般具有特殊性质，比如硅掺入磷元素可以形成N型半导体，掺入硼元素可以形成P型半导体。

我们把N型半导体和P型半导体进行组合，可以形成PN结，这是电子芯片当中的重要结构，我们把各种结构进行组合，就可以完成特定的逻辑运算（比如与门、或门、非门等等）。
理论上，所有的半导体材料都可以作为芯片材料，但是芯片对材料的要求极高，所以真正适合做芯片的半导体材料并不多，比如硅、锗、碳化硅、氮化镓等等。

其中硅因为拥有众多优良特性，使得硅成为芯片的主要材料：
（1）硅元素的含量巨大，地球元素中仅次于氧元素（地球元素含量排行：氧>硅>铝>铁>钙>钠>钾……）。
（2）硅元素提纯技术成熟，制作成本低，最初晶体管使用锗作为芯片材料，是因为当初硅元素的提纯技术不成熟，如今硅的提纯可以达到99.999999999%。
（3）硅元素的性质稳定，包括化学性质和物质性质，比如锗做成晶体管，当温度达到75℃以上时，其导电率有较大变化，而且做成PN结后锗的反向漏电流比硅大，这对芯片的稳定性非常不利。
（4）硅本身是无毒无害的物质，我们常见的很多石头都含有二氧化硅（SiO2）。