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。

縱觀近年來半導體領域的研究重點，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17萬篇半導體相關論文中，占比最多之研究領域為材料科學（62,872篇論文，占比37.23%）及應用物理（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體材料。

碳基半導體是一種在碳基納米材料的基礎上發(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、石墨烯等特殊結構實現(xiàn)晶體管功能。

在碳基半導體材料中，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，芯片速度大約提升20%，而相比硅基7nm技術，碳納米管基7nm技術的芯片速度將提升300%。

來自北大彭練矛團隊的研究結果也有類似的結果，在14nm技術節(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技術節(jié)點后這種優(yōu)勢還將繼續(xù)加大。

稍顯尷尬的是，學術界發(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期，甚至落后于相同技術節(jié)點的硅基技術至少一個量級。

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電子復興倡議（ERI）峰會上，展示了碳納米管+RRAM通過ILV技術堆疊的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構具有高導電率、高導熱率和低噪聲，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層石墨烯有望應用于各種各樣的領域。

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體材料也展示了強大的潛能。比如，奧地利維也納技術大學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體的熱度之高。

還要提到的是，在全世界大熱的第三代半導體材料（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)濟技術發(fā)展強國，其材料領域全面發(fā)展、領跑國際。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)絡計劃，涉及納米材料、先進材料及碳纖維復合材料等多個領域，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、國際頂尖科研機構等優(yōu)勢條件，使美國在新材料產(chǎn)業(yè)技術上全面發(fā)展，掌握眾多核心技術。

得益于強大的材料科技基礎，日本在全球高技術領域有著舉足輕重的地位，特別是在電子信息材料、納米材料、半導體材料、碳纖維復合材料、特種鋼等領域。同樣，韓國作為新材料產(chǎn)業(yè)技術的新晉優(yōu)秀成員實力不容小覷。秉承“先驅者而非追隨者”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、石墨烯材料等領域保持著優(yōu)勢地位。

在碳基半導體材料的研究上，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，國際半導體技術發(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選項。美國國家科學基金會2008年專門啟動了“超越摩爾定律的科學與工程”項目，用以資助硅技術可能替代者的研究，其中碳基納米電子學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年設立了“2020年后的納米電子學”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二維材料的研究，期望以此推動信息領域、通信領域的技術革命。

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

2019年，清華大學化學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體碳納米管關鍵的材料瓶頸，且制備出的器件和電路在真實電子學表現(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，中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所謝曉明團隊首次在較低溫度條件下采用化學氣相沉積外延成功制備6英寸無褶皺高質量石墨烯單晶晶圓，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，我國的碳基半導體研究是代表世界領先水平的。與國外硅基技術制造出來的芯片相比，我國碳基技術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)有供應鏈時面臨著懷疑和停滯。

負責澳大利亞聯(lián)邦科學與工業(yè)研究組織的物理學家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域?！?/p>

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，而其也為半導體技術帶來了新的機遇。正所謂“不破不立“，在半導體晶體管發(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。