非硅基材料的类型与发展现状

在我们的日常生活中，硅早已是无处不在的隐形力量——从智能手机到笔记本电脑，再到汽车和家用电器，硅基半导体驱动着现代电子世界。

然而，随着硅基半导体逐渐接近其物理极限，以及人们对更轻便、更柔性和更节能设备需求的不断增加，非硅基材料正悄然崭露头角。想象一下，可以弯曲的手机屏幕、贴在皮肤上的智能传感器，甚至是可随身携带的超薄太阳能电池，这些未来科技的实现，或许正依赖于这些“非硅”新材料。

此次，香港城市大学电子工程学院的Steven博士，为我们解析了当前非硅基材料类型与发展现状。

非硅基材料有哪些？

硅基半导体在过去几十年里极大地推动了电子产业的发展，但在面临现代应用需求时，其物理特性逐渐成为限制。Steven表示，随着晶体管尺寸逐渐接近纳米级，使得传统摩尔定律中通过缩小尺寸来提升速度和能效的方式变得越来越困难。此外，随着集成电路的集成度提高，硅基材料在高温下性能下降，电子迁移率也相对较低，也导致了硅基材料如高频、高温、高功率等场景中的性能受限。

许多非硅基材料在这些场景中表现更好，可以提供更高的电子迁移率、导热性和柔韧性，从而使其成为高性能和柔性电子器件的理想选择。以下是一些目前被应用和研究得比较多的非硅基材料类型。

01碳基材料

碳基半导体是以碳元素为主要构成的材料，具有半导体特性。碳基半导体因其独特的物理特性和优异的导电性能而备受关注，被认为在未来电子、光电和量子器件领域有巨大发展潜力。主要包括：

碳纳米管（CNT）：具有极高的电子迁移率和强度，能够实现更快的电子传输，且具有柔韧性，适用于柔性电子设备和纳米级器件。

石墨烯：石墨烯是一种单层碳原子构成的二维材料，拥有极高的导电性和热导性。石墨烯适用于透明电子器件、传感器、光电器件以及高频电子器件。

02化合物半导体材料

不同于硅（Si）这样的单一元素半导体，化合物半导体是由两种或多种不同元素组成的半导体材料，具有宽带隙、高电子迁移率和优异的光电特性，使其能够在高温、高频及光电应用中表现出色。主要包括：

氮化镓（GaN）：适合高频和高功率电子应用，尤其是在5G通信、雷达系统以及电力电子领域，如电动汽车和太阳能逆变器等场景中广泛应用。

碳化硅（SiC）：SiC因其在高温、高压条件下的稳定性，已在电动汽车、可再生能源系统及工业电力转换中得到应用，能够提高功率转换效率，减少能量损耗。

砷化硼（BAs）：具有高热导率、宽带隙和优良的热稳定性等特点。在当前的半导体材料中，其高热导率尤为突出，使其成为散热材料的潜在选择，特别适用于功率电子、射频电子器件和散热管理。

03有机半导体材料

有机半导体材料是一类基于碳的有机化合物，具有半导体特性，广泛应用于柔性电子、光电器件、显示技术等领域。主要包括：

有机导电聚合物：这类材料柔性好、成本低，适用于柔性显示、可穿戴设备以及有机光伏电池等。虽然其电子迁移率较低，但在需要轻量、柔性电子器件的场景中显示出巨大的潜力，具体包括聚苯胺、聚噻吩等。

有机小分子半导体：由相对较小的分子组成，通常具有较高的电子迁移率，容易通过真空蒸镀法等工艺成膜，具体包括聚芴、并五苯等。

04其他新兴材料

此外，以下新兴的半导体材料在不同的应用场景也有着极高的应用潜力：

氧化锌（ZnO）：具有独特的光学和电子特性，在紫外光检测、透明电子学和传感器中有潜在应用。

二硫化钼（MoS₂）：是一种二维过渡金属硫化物，在超薄场效应晶体管和柔性电子学中显示出潜力。

黑磷（Black Phosphorus）：带隙在0.3至2eV之间可调，适合短波红外探测和柔性电子器件应用。

非硅基半导体材料的应用

非硅基半导体材料在电子、光电、储能、传感和生物医学等领域具有广泛应用。其中，碳基和宽带隙半导体近年来取得了显著进展，而在柔性半导体领域，许多非硅基材料也发挥着越来越重要的作用。

碳基半导体：高效、柔性与环保的未来材料

碳基半导体材料在结构和电性能上展现出极高的电子迁移率，使其能够提供更快的电子传输速度和高效的信号处理能力。此外，碳基材料的二维结构具备无带隙的特殊导电性，使其在光电探测器和场效应晶体管等设备中具有更灵活的应用。与硅的脆性相比，碳基半导体材料还具备优异的机械柔性和强度，非常适合制造可弯曲的柔性电子设备。此外，这类材料具有良好的生物相容性和低毒性，制造过程也更加环保。

目前，碳基半导体技术在多个行业展示出巨大的应用潜力，尤其是在电子器件、光电设备、能源储存和生物医学等领域，开始显现出替代传统硅基半导体的可能性。例如：

01在电子器件方面

研究人员已成功开发出基于石墨烯和碳纳米管的晶体管，去年北大团队制造出的90纳米碳纳米管，其性能已可与45纳米的传统硅基芯片相媲美。

02在光电设备方面

石墨烯透明导电膜的应用使得柔性和透明显示器成为现实，这些显示屏不仅可以弯曲，还能保持较高的电子传输效率，已在柔性OLED显示屏和智能手机触控屏中进行应用试验。

03在能源储存领域

石墨烯超级电容器能够实现更快的充放电速度和更长的循环寿命，广泛应用于电动汽车和再生能源储存等领域。

此外，石墨烯和碳纳米管生物传感器因其高灵敏度和低毒性等特性，在体液检测和血糖监测等生物医学检测中展现了广泛的应用潜力。

今年7月，北京大学宣布成功研发出了世界首个基于碳纳米管的张量处理器芯片，该芯片集成了3,000个碳纳米管晶体管，特别适用于卷积运算和大规模矩阵乘法。这也意味着碳基材料研究开始从器件走向了更为系统化的阶段。

图2：基于碳纳米管晶体管构建的张量处理器（图源：北京大学）

宽带隙半导体：高效能与高温环境的理想选择

宽带隙材料因其高功率、高频率、耐高温和高耐压等特性，广泛应用于功率电子、射频器件和光电器件中。这些材料在高效能和耐高温的电子设备中发挥着不可替代的作用，逐渐成为电力电子和射频通讯等领域的关键材料，推动了多个行业的技术升级和性能优化。

例如，碳化硅和氮化镓目前已广泛应用于电动汽车和充电站，其高效率和高耐压特性显著提升了电动汽车的续航里程和充电速度，同时减少了能量损耗和热管理需求。在太阳能光伏、风力发电和智能电网应用中，宽带隙材料被用于逆变器和电力转换系统，有效提高了电能转换效率并减少了能量损耗。氮化镓因其高频特性和低功耗，目前也被广泛应用于5G基站、雷达系统和卫星通信中。

柔性半导体：让电子产品走向轻便和多样化

Steven提到，除了碳基和宽禁带材料，许多非硅基材料也被广泛应用于柔性半导体制造。柔性半导体是指能够弯曲、折叠或拉伸的电子器件，常用于柔性显示屏、可穿戴设备、电子皮肤和智能医疗设备等。这些材料相比传统刚性半导体，能更好地适应不规则表面和运动环境。

硅基材料因其固有的刚性和脆性，在弯曲或拉伸时容易断裂，难以满足柔性半导体对柔韧性的要求。相对而言，有机半导体和碳基材料等非硅基材料不仅可以在低温下加工，还具备良好的柔性和轻量化特性，成为柔性半导体的理想选择。

目前，柔性半导体技术已广泛应用于柔性显示器、可穿戴设备、电子皮肤和柔性太阳能电池等领域。通过将氧化物半导体或有机半导体应用于显示面板，屏幕可以实现弯曲或折叠。使用石墨烯或碳纳米管制成的柔性传感器，能够模拟人体皮肤的触觉感知，应用于机器人触觉、假肢和医疗设备中。

此外，有机半导体和二维材料可集成在建筑物、窗户和服装表面，为移动电子设备提供可持续电源。基于碳纳米管和有机半导体的柔性晶体管，使可折叠、卷曲的电子设备设计更加多样化，推动了可穿戴设备和下一代便携式电子产品的发展。

图3：香港城市大学开发的电子“皮肤”（图源：香港城市大学官方）

非硅基材料的商用挑战

基于非硅基材料具备的柔韧性、轻量性和低温加工特性，它们在柔性电子等特定应用中展现出替代硅基材料的潜力。然而，Steven指出，目前非硅基材料主要应用于集成度要求较低的领域，如汽车电子、柔性显示屏、可穿戴设备和分布式能源等。对于手机芯片和CPU等复杂制造系统，硅基材料仍占主导地位。非硅基材料面临一系列技术和市场挑战，主要包括：

性能局限性：非硅基材料的电子迁移率和稳定性通常低于硅，难以满足高速计算、存储和大功率应用的严苛要求。例如，尽管石墨烯和碳纳米管具有高迁移率，但在复杂晶体管电路中难以实现稳定控制。有机半导体因其分子结构的局限性，在高频或高功率应用中表现不佳。此外，非硅基材料在环境稳定性方面较弱，易受湿气、氧化和温度变化影响。

制造工艺欠成熟：硅基半导体经过多年的发展，已形成成熟的制造体系，包括庞大的供应链和技术生态，能够实现高质量和低成本的大规模生产。而非硅基材料的制造工艺和供应生态仍处于早期阶段，许多材料难以与现有硅基工艺兼容，且制造过程中常涉及新技术，导致流程复杂、成本高。

市场接受度和标准化不足：非硅基材料的市场尚不成熟，应用仍处于试验和探索阶段，许多潜在用户对其性能和稳定性存在疑虑。同时，非硅基材料的标准化体系尚未建立，产品规格、质量标准和测试方法等缺乏统一标准，给下游企业带来不确定性。

Steven认为，非硅基材料的某些特性有效补充了硅基材料，并拓宽了半导体的应用边界，但硅基半导体的主导地位仍然不可动摇。未来，两者可能会并行发展并实现混合集成。