中國(guó)打破下一代芯片“黃金半導(dǎo)體”生產(chǎn)壁壘

幾十年來(lái)，硅一直是無(wú)可爭(zhēng)議的計(jì)算之王，為從智能手機(jī)到超級(jí)計(jì)算機(jī)的一切提供動(dòng)力。但隨著工程師將硅芯片推向其基本物理極限，全球?qū)ふ依^任者的競(jìng)賽愈演愈烈?，F(xiàn)在，中國(guó)科學(xué)家的一項(xiàng)突破帶來(lái)了重大飛躍，釋放了硒化銦的大規(guī)模生產(chǎn)潛力——這種材料因其卓越的性能而被譽(yù)為“黃金半導(dǎo)體”。

由北京大學(xué)和中國(guó)人民大學(xué)團(tuán)隊(duì)領(lǐng)導(dǎo)的研究于 2024 年 5 月 10 日發(fā)表在著名期刊《科學(xué)》上，設(shè)計(jì)了一種新方法來(lái)克服阻礙硒化銦廣泛使用的關(guān)鍵瓶頸。與硅相比，這種半導(dǎo)體具有固有的優(yōu)勢(shì)，包括未來(lái)電子設(shè)備的潛在更高性能和更低能耗。然而，實(shí)現(xiàn)銦原子和硒原子保持完美 1：1 比例的高質(zhì)量材料的大規(guī)模生產(chǎn)一直是一個(gè)持續(xù)的挑戰(zhàn)。

“黃金”挑戰(zhàn)和巧妙的解決方案

核心問(wèn)題在于所需的微妙原子舞蹈。“核心挑戰(zhàn)在于在生產(chǎn)過(guò)程中精確維持銦和硒的理想 1：1 原子比，”北京大學(xué)物理學(xué)院劉開(kāi)慧教授解釋道，正如該研究的報(bào)道所報(bào)道的那樣。傳統(tǒng)方法難以大規(guī)模一致地實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，導(dǎo)致缺陷削弱了材料的電子電位。

中國(guó)團(tuán)隊(duì)的創(chuàng)新優(yōu)雅簡(jiǎn)單，但非常有效。他們?cè)诿芊猸h(huán)境中加熱無(wú)定形硒化銦薄膜和固體銦。至關(guān)重要的是，汽化的銦原子遷移到薄膜邊緣，形成富含銦的液體界面。該界面充當(dāng)自調(diào)節(jié)區(qū)，逐漸引導(dǎo)形成具有近乎完美原子排列的高質(zhì)量硒化銦晶體?！斑@種方法確保了正確的原子比......并克服了關(guān)鍵的瓶頸，“劉教授說(shuō)。

從實(shí)驗(yàn)室好奇心到工業(yè)前景

結(jié)果是切實(shí)而重要的。研究人員成功生產(chǎn)出直徑為 5 厘米（2 英寸）的均勻硒化銦晶圓，這是邁向工業(yè)規(guī)模制造的重要一步。更重要的是，他們通過(guò)直接在這些晶圓上構(gòu)建大規(guī)模的高性能晶體管陣列，證明了這種材料的實(shí)際可行性。

北京大學(xué)電子學(xué)院研究員邱晨光強(qiáng)調(diào)了直接的應(yīng)用潛力：“晶體管......可以直接用于集成芯片器件。從概念驗(yàn)證到功能器件集成的轉(zhuǎn)變標(biāo)志著一個(gè)重要的里程碑，將硒化銦超越了理論上的前景，進(jìn)入了實(shí)用的下一代電子領(lǐng)域。

為什么“黃金半導(dǎo)體”對(duì)未來(lái)很重要

這一突破的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了實(shí)驗(yàn)室的范圍。隨著硅芯片在不產(chǎn)生過(guò)多功耗和發(fā)熱的情況下保持性能提升面臨越來(lái)越大的困難，硒化銦等替代品變得至關(guān)重要。其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和電子特性可以實(shí)現(xiàn)：

• 更快的計(jì)算：電子遷移率明顯高于硅的潛力。

• 更低的功耗：更高效的運(yùn)營(yíng)，對(duì)于移動(dòng)設(shè)備和大型數(shù)據(jù)中心至關(guān)重要。

• 高級(jí)應(yīng)用：對(duì)新型計(jì)算架構(gòu)和專(zhuān)用傳感器的潛在適用性。

全球芯片競(jìng)賽升溫

這一發(fā)展使中國(guó)在先進(jìn)半導(dǎo)體材料研究方面穩(wěn)居前列。雖然大規(guī)模生產(chǎn)和商業(yè)化整合需要進(jìn)一步的發(fā)展和投資，但解決硒化銦的根本生產(chǎn)挑戰(zhàn)開(kāi)辟了一條重要的新途徑。它標(biāo)志著全球競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，以定義將推動(dòng)從人工智能到量子計(jì)算的下一波技術(shù)創(chuàng)新浪潮的材料。

大規(guī)模生產(chǎn)“黃金半導(dǎo)體”硒化銦的這一突破不僅是一項(xiàng)科學(xué)成就，而且是一項(xiàng)科學(xué)成就。它對(duì)整個(gè)電子行業(yè)來(lái)說(shuō)是一個(gè)潛在的游戲規(guī)則改變者。通過(guò)解決關(guān)鍵的原子比問(wèn)題，中國(guó)研究人員為最終超越硅極限的高性能、節(jié)能芯片鋪平了道路?！包S金半導(dǎo)體”時(shí)代的到來(lái)可能比預(yù)期的要快。探索最新的芯片創(chuàng)新，了解這將如何塑造您的技術(shù)未來(lái)。

問(wèn)：“黃金半導(dǎo)體”到底是什么？
答：“黃金半導(dǎo)體 ”一詞是指硒化銦（InSe），一種化合物半導(dǎo)體材料。它因其獨(dú)特且非常理想的電子特性而贏(yíng)得了這個(gè)綽號(hào)，特別是與硅相比，它具有高電子遷移率和低功耗的潛力，使其對(duì)未來(lái)的先進(jìn)芯片具有價(jià)值。

問(wèn)：為什么以前大規(guī)模生產(chǎn)硒化銦如此困難？
答：核心挑戰(zhàn)是在生產(chǎn)過(guò)程中始終如一地保持銦 （In） 與硒 （Se） 的精確 1：1 原子比。偏離該比率會(huì)引入缺陷，嚴(yán)重降低材料的電子性能，使其不適合可靠的芯片制造。

問(wèn)：是什么讓中國(guó)的這一突破如此重要？
答：研究人員開(kāi)發(fā)了一種使用固體銦的新型密封加熱方法，該方法可形成自調(diào)節(jié)的液體界面。這確保了晶體生長(zhǎng)過(guò)程中正確的 In：Se 比例，首次能夠生產(chǎn)出大型（直徑 5 厘米）的高質(zhì)量硒化銦晶圓，克服了工業(yè)用途的主要瓶頸。

問(wèn)：這些黃金半導(dǎo)體有哪些潛在應(yīng)用？
答：硒化銦芯片可以實(shí)現(xiàn)更快的計(jì)算速度、更節(jié)能的電子產(chǎn)品（延長(zhǎng)電池壽命），并有可能為下一代技術(shù)提供動(dòng)力，如先進(jìn)的人工智能系統(tǒng)、專(zhuān)用傳感器和硅難以解決的新型計(jì)算架構(gòu)。

問(wèn)：我們什么時(shí)候可以看到使用硒化銦芯片的設(shè)備？
答：雖然這是一項(xiàng)重大的生產(chǎn)突破，但將其轉(zhuǎn)化為商業(yè)消費(fèi)設(shè)備將需要大量的進(jìn)一步工程設(shè)計(jì)、制造規(guī)模擴(kuò)大和集成工作。它可能代表了本十年后半葉或更遠(yuǎn)的一項(xiàng)技術(shù)，但現(xiàn)在道路更加清晰。