微米氮化铝(新一代材料革命正在酝酿，中国能否终结硅时代，实现芯片全面领先)

Posted 2023-05-26

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微米氮化铝(新一代材料革命正在酝酿，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。