自1954年以來，硅一直是先進技術發展的重要基石。人們普遍認為，硅作為電子元件基礎結構核心材料的地位不可動搖。但根據摩爾定律，硅也有局限性。因此，自初次使用硅作為半導體原材料以來，業界一直在尋找替代材料。

迄今為止，沒有哪種材料能夠像硅一樣兼具多元化特性，半導體行業大規模投資硅材料也預示著其長期存在的必然性。但事實上，半導體材料非常豐富，并且能夠為微電子的不同領域帶來寶貴價值。要知道，第一個晶體管使用的不是硅，而是鍺。如今，許多替代材料正與硅一起扮演重要角色，在消費技術持續向電氣化轉變的過程中，這一點尤為突出。半導體材料專家深知，問題不在于用一種材料替代另一種材料，而是為具體應用選擇更合適的材料，幫助滿足性能、效率、穩健性等要求。

接下來將提到兩種頗有前景的半導體替代材料，并將圍繞其適用范圍以及優缺點展開詳細介紹。

適合極端環境的解決方案

與硅相比，寬禁帶半導體材料具有一系列優勢。這些材料可在更高的電壓和溫度下工作，能夠開啟更高的通信信道并在更多樣的環境中正常運行，有時甚至適用于極端環境，也因此成為了創新的重要驅動力。寬禁帶材料有助于實現更快、更小、更高效且更可靠的器件設計，從而能為功率和射頻電子應用帶來益處。

氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）是目前比較常用的兩種寬禁帶半導體材料。這兩者在20世紀80年代末因藍光LED的開發走向商業化，并因其較大的能隙尺寸而成為可能（能隙是指半導體中電子的價帶與導帶之間的能量區間）。氮化鎵在生長工藝上相較于碳化硅取得的突破，使其在光學技術領域得到了廣泛應用，例如在藍光DVD播放器中的使用，并因此在2014年獲得了諾貝爾物理學獎的肯定。

寬禁帶半導體材料除了具備較大的能隙特性之外，還擁有極高的熱導率，這意味著它們能夠更有效地散熱，進而提升設備的運行效率，因為較低的工作溫度有利于設備性能的優化。這些材料能夠耐受更高的電場和高溫環境，使它們在功率電子領域的應用尤為吸引人，尤其是在設計逆變器、電源以及電機驅動系統等方面。在汽車領域，例如電動汽車（EVs）和插電式混合動力汽車等，GaN和SiC為功率器件帶來的性能特性極大地提升了它們的應用價值。

除了應用于LED和功率電子元件，GaN還是射頻放大器等高頻器件的重要材料，推動了無線通信和5G網絡的發展。

此外，SiC材料非常堅硬，具有出色的機械穩定性，并且材料成本比較低，能夠在許多行業中大放異彩，甚至能用于制造磨料和切割工具的領域中。

潛力巨大但非常復雜

在許多方面，GaN和SiC在半導體行業中的應用復雜度都比傳統硅材料更高。GaN難以廣泛采用的主要問題在于其可靠性和成本。

對比硅的1.12電子伏，氮化鎵的能隙高達3.4電子伏，這一特性使其在高功率及高頻率設備上有著天然的適用性。然而，在生長過程中，GaN易出現缺陷和位錯，這可能會影響器件的可靠性。此外，生產大面積的GaN基晶圓既困難又成本巨大。為解決這些問題，眾多研究者致力于研發將GaN集成至硅晶圓的技術，這涉及到將兩種不同晶體結構以盡量避免產生位錯和缺陷的方式相結合。這一任務極具挑戰性，且可能有晶圓裂紋的風險。

碳化硅的硬度及其脆性特點，使其生產過程面臨諸多挑戰。該材料在生長和加工過程中需在較高溫度下長時間耗能。特別是在使用廣泛的4H-SiC晶體結構時，由于其高透明度和高折射率的特性，使得在檢測過程中發現表面缺陷尤為困難。

半導體仿真的新時代

前景廣闊的半導體材料數不勝數，GaN和SiC只是其中的兩種。我們預期將不斷見證新型材料及其應用的涌現，這些材料將利用諸如自旋電子學、鐵電性質或相變材料等新穎物理學原理，在替代性存儲器件設計等領域發揮作用。

在探索石墨烯之外的二維材料方面，研究者們已經發現了新的材料種類，比如過渡金屬硫屬化合物單分子層（TMDs），這一發現為新型器件的研發敞開了大門。同時，神經形態計算的領域正在迅速擴展，這將對器件功能和計算機體系結構產生重大影響。最終，低溫應用的研究可能對提升數據中心的能效發揮重要作用，尤其是在人工智能應用迅猛增長、能源消耗問題日益凸顯的背景下，這一研究有望引領我們進入全新的材料類別。

在這些討論中，我們關注的是對硅基材料的補充而非替代。現有技術及不斷演進的新技術正重新定義尺寸縮放的原則。隨著我們步入系統技術協同優化（STCO）的新時代，設計將逐漸呈分散化，這樣不僅可以更經濟地構建單個組件，而且還能通過重新組合它們來提升整體性能。為此，我們必須為新時代的芯片設計探索做好準備。

審核編輯：劉清