文 | 半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)縱橫

從支撐起計(jì)算機(jī)革命的第一代硅基半導(dǎo)體，到開(kāi)啟光電子與新能源時(shí)代的后續(xù)幾代材料，每一次代際更替都在通信、能源、計(jì)算等關(guān)鍵領(lǐng)域掀起跨越式變革浪潮。

深入解析前四代半導(dǎo)體材料的特性、應(yīng)用場(chǎng)景及代際更替背后的邏輯，不僅能讓我們清晰把握半導(dǎo)體發(fā)展的歷史脈絡(luò)，更能為推測(cè)第五代半導(dǎo)體的可能方向提供關(guān)鍵依據(jù)。

從第一代到第四代：半導(dǎo)體材料的迭代之路

第一代半導(dǎo)體材料是人類最早規(guī)?；瘧?yīng)用的半導(dǎo)體類型，主要是硅（Si）與鍺（Ge）兩種元素半導(dǎo)體。其中，硅材料憑借1.12eV的禁帶寬度、地殼儲(chǔ)量豐富（約26.4%）及成熟的制造工藝優(yōu)勢(shì)，在集成電路、計(jì)算機(jī)、通信設(shè)備等現(xiàn)代電子工業(yè)領(lǐng)域確立核心地位。

第二代半導(dǎo)體材料是20世紀(jì)八九十年代伴隨移動(dòng)通信和光纖通信發(fā)展而興起的化合物半導(dǎo)體材料，以砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)為主要代表。這類材料因具有高頻、高速及大功率特性，適用于制造微波器件、毫米波器件及發(fā)光電子器件，逐步突破傳統(tǒng)硅基材料的性能限制。其禁帶寬度介于第一代與第三代半導(dǎo)體之間，主要用于衛(wèi)星通訊、移動(dòng)通信、光通信等領(lǐng)域，光通信系統(tǒng)中的半導(dǎo)體激光器及5G毫米波系統(tǒng)均依賴該材料。

二十一世紀(jì)以來(lái)，以氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）為代表的第三代半導(dǎo)體材料開(kāi)始嶄露頭角。第三代半導(dǎo)體材料具有更寬的禁帶寬度、更高的導(dǎo)熱率、更高的抗輻射能力、更大的電子飽和漂移速率等特性，更適合于制作高溫、高頻、抗輻射及大功率電子器件，在光電子和微電子領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。市場(chǎng)火熱的5G基站、新能源汽車和快充等都是第三代半導(dǎo)體的重要應(yīng)用領(lǐng)域。

第四代半導(dǎo)體是超禁帶半導(dǎo)體，主要有兩個(gè)方向，一類是以氧化鎵為代表的超寬禁帶半導(dǎo)體，另一類是銻化物半導(dǎo)體窄禁帶半導(dǎo)體。

那么第五代半導(dǎo)體會(huì)是啥？

拓?fù)浣^緣體：零能耗電子器件的希望

拓?fù)浣^緣體是一種具有特殊電子結(jié)構(gòu)的新型量子材料，其最顯著的特性是表面或邊界具有導(dǎo)電態(tài)，而內(nèi)部則呈現(xiàn)絕緣態(tài)，這種獨(dú)特的“體相絕緣-表面導(dǎo)電”量子特性使其被視為下一代超低功耗芯片的核心材料。

從物理機(jī)制來(lái)看，拓?fù)浣^緣體的表面導(dǎo)電態(tài)是由材料的拓?fù)湫再|(zhì)決定的，具有拓?fù)浔Ｗo(hù)特性，即不易受到材料表面缺陷、雜質(zhì)等因素的影響，電子在表面?zhèn)鬏敃r(shí)幾乎沒(méi)有散射，能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)耗散傳輸，這意味著基于拓?fù)浣^緣體制造的電子器件可以大幅降低能量損耗，解決傳統(tǒng)半導(dǎo)體器件因電子散射而產(chǎn)生的發(fā)熱問(wèn)題。此外，拓?fù)浣^緣體的表面電子還具有自旋-動(dòng)量鎖定特性，即電子的自旋方向與動(dòng)量方向存在固定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，這一特性為自旋電子器件的研發(fā)提供了新的思路，有望實(shí)現(xiàn)更高密度、更快速度的信息存儲(chǔ)與處理。

自拓?fù)浣^緣體概念提出以來(lái)，科研人員在材料制備、性能表征和器件研發(fā)等方面取得了一系列重要突破。在材料制備方面，已成功制備出多種類型的拓?fù)浣^緣體材料，包括碲化鉍（Bi?Te?）、硒化鉍（Bi?Se?）、銻化鉍（BiSb）等三維拓?fù)浣^緣體，以及一些二維拓?fù)浣^緣體材料。通過(guò)優(yōu)化制備工藝，如分子束外延、化學(xué)氣相沉積等，材料的晶體質(zhì)量和表面平整度不斷提升，為后續(xù)器件研發(fā)奠定了良好基礎(chǔ)。在性能表征方面，利用角分辨光電子能譜（ARPES）等先進(jìn)表征技術(shù)，科研人員清晰地觀測(cè)到了拓?fù)浣^緣體表面的狄拉克錐電子結(jié)構(gòu)，證實(shí)了其表面導(dǎo)電態(tài)的存在，同時(shí)對(duì)電子傳輸特性、自旋特性等進(jìn)行了深入研究。在器件研發(fā)方面，已初步研制出基于拓?fù)浣^緣體的場(chǎng)效應(yīng)晶體管、自旋過(guò)濾器、量子比特等原型器件。例如，基于拓?fù)浣^緣體的場(chǎng)效應(yīng)晶體管展現(xiàn)出了極低的漏電電流和良好的開(kāi)關(guān)特性，在低功耗邏輯電路領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用；拓?fù)浣^緣體自旋過(guò)濾器則能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電子自旋的有效調(diào)控，為自旋電子器件的實(shí)用化邁出了重要一步。不過(guò)，拓?fù)浣^緣體的研發(fā)仍面臨一些挑戰(zhàn)，如如何進(jìn)一步提高材料的載流子遷移率、降低缺陷密度，以及如何實(shí)現(xiàn)器件的規(guī)?；苽涞龋@些問(wèn)題需要科研人員在未來(lái)的研究中不斷解決。

二維材料：摩爾定律的破局關(guān)鍵

二維材料是指在一個(gè)維度上具有納米尺度或原子尺度厚度，而在另外兩個(gè)維度上具有宏觀尺度的片狀材料，典型代表包括石墨烯、二硫化鉬（MoS?）等。原子級(jí)的厚度賦予了二維材料獨(dú)特的電學(xué)、光學(xué)和力學(xué)性能。

面對(duì)摩爾定律逼近物理極限的全球性挑戰(zhàn)，具有單個(gè)原子層厚度的二維半導(dǎo)體是目前國(guó)際公認(rèn)的破局關(guān)鍵，科學(xué)家們一直在探索如何將二維半導(dǎo)體材料應(yīng)用于集成電路中。實(shí)際上，二維材料已被添加到IMEC邏輯縮放路線圖中。

十多年來(lái)，國(guó)際學(xué)術(shù)界與產(chǎn)業(yè)界已掌握晶圓級(jí)二維材料生長(zhǎng)技術(shù)，成功制造出擁有數(shù)百個(gè)原子長(zhǎng)度、若干個(gè)原子厚度的高性能基礎(chǔ)器件。但此前國(guó)際上最高的二維半導(dǎo)體數(shù)字電路集成度僅為115個(gè)晶體管，由奧地利維也納工業(yè)大學(xué)團(tuán)隊(duì)在2017年實(shí)現(xiàn)。核心難題在于，要將這些原子級(jí)精密元件組裝成完整的集成電路系統(tǒng)，依舊受制于工藝精度與規(guī)模勻性的協(xié)同良率控制。

今年早些時(shí)候，復(fù)旦大學(xué)集成芯片與系統(tǒng)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室周鵬、包文中聯(lián)合團(tuán)隊(duì)成功研制全球首款基于二維半導(dǎo)體材料的32位RISC-V架構(gòu)微處理器“無(wú)極（WUJI）”。該成果突破二維半導(dǎo)體電子學(xué)工程化瓶頸，首次實(shí)現(xiàn)5900個(gè)晶體管的集成度，是由復(fù)旦團(tuán)隊(duì)完成、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)產(chǎn)技術(shù)，使我國(guó)在新一代芯片材料研制中占據(jù)先發(fā)優(yōu)勢(shì)，為推動(dòng)電子與計(jì)算技術(shù)進(jìn)入新紀(jì)元提供有力支撐。

碳納米管：新型溝道材料

在半導(dǎo)體器件中，溝道是電子或空穴傳輸?shù)年P(guān)鍵區(qū)域，溝道材料的性能直接決定了器件的開(kāi)關(guān)速度、驅(qū)動(dòng)電流、功耗等關(guān)鍵指標(biāo)。隨著半導(dǎo)體制程不斷逼近物理極限，傳統(tǒng)硅基溝道材料的性能提升空間逐漸受限，因此，研發(fā)新型溝道材料成為提升半導(dǎo)體器件性能的關(guān)鍵突破點(diǎn)，也是第五代半導(dǎo)體研究的重要方向之一，其中碳納米管（CNTs）是最具代表性的新型溝道材料。

早在2007年，碳基納電子學(xué)就被提出可能成為下一代電子技術(shù)。主要原因如下：（1）碳與硅為同一主族元素，具有很多相似的化學(xué)性質(zhì)；（2）CNTs長(zhǎng)度為幾百納米，器件中電子輸運(yùn)呈現(xiàn)完美的彈道結(jié)構(gòu)，能量的利用率高；（3）超薄的導(dǎo)電通道，載流子的遷移率高，在小于10nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)下，使得超尺度FET的短通道效應(yīng)最小化；（4）優(yōu)異的導(dǎo)熱性能。然而，制備碳納米管集成電路的前提是實(shí)現(xiàn)CNTs具有超高的半導(dǎo)體純度、合適的密度、排布方向一致等條件，制造出符合要求的碳納米管材料，是碳管電子學(xué)所面臨的巨大挑戰(zhàn)。

碳納米晶體管是以碳納米管為核心溝道導(dǎo)電材料制作的晶體管，其性能已突破傳統(tǒng)硅基晶體管限制。2016年，美國(guó)威斯康星大學(xué)團(tuán)隊(duì)研制出1英寸碳納米晶體管，通過(guò)聚合物替代金屬納米管技術(shù)，將金屬雜質(zhì)含量降至0.01%以下，解決了導(dǎo)電性能瓶頸。2025年最新進(jìn)展中，北京大學(xué)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出90nm集成碳納米管氫氣傳感器，MIT則利用14000多個(gè)碳納米管制成16位微處理器。此類晶體管在抗輻照集成電路等領(lǐng)域展現(xiàn)應(yīng)用潛力，但仍面臨制造工藝優(yōu)化等挑戰(zhàn)。

量子點(diǎn)與光子晶體

量子點(diǎn)是一種納米級(jí)別的半導(dǎo)體，通過(guò)對(duì)這種納米半導(dǎo)體材料施加一定的電場(chǎng)或光壓，它們便會(huì)發(fā)出特定頻率的光，而發(fā)出的光的頻率會(huì)隨著這種半導(dǎo)體的尺寸的改變而變化，因而通過(guò)調(diào)節(jié)這種納米半導(dǎo)體的尺寸就可以控制其發(fā)出的光的顏色，由于這種納米半導(dǎo)體擁有限制電子和電子空穴（Electron hole）的特性，這一特性類似于自然界中的原子或分子，因而被稱為量子點(diǎn)。

光子晶體是指具有光子帶隙（PhotonicBand-Gap，簡(jiǎn)稱為PBG）特性的人造周期性電介質(zhì)結(jié)構(gòu)，有時(shí)也稱為PBG光子晶體結(jié)構(gòu)。所謂的光子帶隙是指某一頻率范圍的波不能在此周期性結(jié)構(gòu)中傳播，即這種結(jié)構(gòu)本身存在“禁帶”，可用于控制光子的發(fā)射、傳輸和反射。光子晶體體積非常小，在新的納米技術(shù)中、光計(jì)算機(jī)、芯片等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。

量子點(diǎn)與光子晶體的結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)光-電-熱的多功能集成，在光電子器件領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

生物半導(dǎo)體

生物半導(dǎo)體是一種基于生物分子（如DNA、蛋白質(zhì)）的新型半導(dǎo)體材料，其核心特點(diǎn)是能夠?qū)⑸锵到y(tǒng)與電子電路相兼容，實(shí)現(xiàn)生物信號(hào)與電子信號(hào)的高效轉(zhuǎn)換和交互。例如，蛋白質(zhì)具有獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)和電學(xué)特性，可用于制備生物半導(dǎo)體器件，如蛋白質(zhì)存儲(chǔ)器件，利用蛋白質(zhì)分子的電荷存儲(chǔ)特性實(shí)現(xiàn)信息的存儲(chǔ)，具有高密度、低功耗、生物相容性好等優(yōu)點(diǎn)。

在研發(fā)進(jìn)展方面，生物半導(dǎo)體目前處于實(shí)驗(yàn)室研究的初期階段，但已取得了一些引人注目的成果?？蒲腥藛T通過(guò)基因工程、分子自組裝等技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了DNA、蛋白質(zhì)等生物分子的有序排列和功能化修飾，制備出了具有半導(dǎo)體特性的生物薄膜和納米結(jié)構(gòu)。基于這些生物材料的原型器件，如生物場(chǎng)效應(yīng)晶體管、生物傳感器、蛋白質(zhì)存儲(chǔ)器等已相繼被研發(fā)出來(lái)，初步驗(yàn)證了生物半導(dǎo)體在生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)、wearable電子設(shè)備、新一代信息存儲(chǔ)等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。然而，生物半導(dǎo)體的發(fā)展仍面臨諸多挑戰(zhàn)，如生物分子的穩(wěn)定性較差，容易受到外界環(huán)境（如溫度、濕度、pH值）的影響，如何提高生物半導(dǎo)體材料和器件的穩(wěn)定性和可靠性；生物分子的電學(xué)性能調(diào)控難度較大，如何實(shí)現(xiàn)對(duì)其電學(xué)特性的精準(zhǔn)控制；以及生物半導(dǎo)體器件的制備工藝復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)等，這些都是未來(lái)需要重點(diǎn)研究和解決的問(wèn)題。

總結(jié)

第五代半導(dǎo)體的發(fā)展正處于探索與起步階段，拓?fù)浣^緣體、二維材料、新型溝道材料、量子點(diǎn)與光子晶體、生物半導(dǎo)體等候選材料各具特色，都有望在未來(lái)的科技發(fā)展中扮演重要角色。

雖然目前這些材料仍面臨著諸多技術(shù)挑戰(zhàn)，但隨著研發(fā)的不斷深入和技術(shù)的持續(xù)突破，第五代半導(dǎo)體必將為人類科技帶來(lái)新的變革，推動(dòng)通信、能源、計(jì)算、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)跨越式發(fā)展。