“突破摩尔定律”半导体重大突破硅原料将被取代生产待定

“突破摩尔定律”半导体重大突破硅原料将被取代生产待定,第1张

中打破了摩尔定律,在新的半导体研究领域取得了巨大的突破。利用一种新的超薄电极材料,实现了二维半导体电子与逻辑电路的自由控制。此外,南洋理工大学、北京大学、南京大学等高校的科研队伍,也在二维半导体的整合与成长上取得了突破性进展。

中国的本土企业也在努力地积累和研究相关的技术,这些技术将会在将来获益。首先,我们要说的是,摩尔定律是什么,为什么它会对半导体产生如此大的影响。戈登·摩尔,英特尔的共同创始人,提出了著名的摩尔定律:每18到24个月,集成电路上的元件数目就会翻一番,而其性能也会翻一番。这就意味着,在每一块硅片上,晶体管的体积会变得更小,也会变得更多。但是今天,一块指甲盖大小的晶体管可以容纳一百亿个,而硅晶体管也已经接近了它的物理极限。摩尔定律的继续,要求新的材料,新的装置。

目前,人们对二维半导体的前景非常看好,因为传统的硅片晶体是以三维块状半导体为基础,使得电子难以透过纳米尺寸的通道。然而,由于二维材料的存在,使得晶体管的体积变得更小,变成了一种更容易让电荷在其中自由流动的超薄晶体管。

由光敏材料及器件研究中心的黄博士、物理学院的李金龙教授带领的一个研究团队,成功地利用了一种新型的超薄电极材料(Cl-SnSe2),实现了二维半导体电子及逻辑电路的自由控制。

该研究成功地解决了费米能级钉扎问题,使得传统的二维半导体器件难以完成互补逻辑电路,只显示 N型或 P型器件的性能。利用这种新的电极材料,可以实现 N型、 P型的功能,从而形成一种高性能、低功耗、互补逻辑的逻辑电路。

黄教授预测,这种新型的二维电极材料将会是很薄的,具有很高的透明度和d性。所以,他们可以应用到下一代的可弯曲的、透明的半导体装置上。南洋理工大学,北京大学,清华大学和北京量子资讯 科技 研究院的研究者们,近期展示了一种将单晶体滴定在二维半导体上的方法,即高 K钙钛矿的一种氧化物。该技术将为新的晶体管和电子器件的发展提供新的可能。

报告中提及了一种叫做“一种钙钛矿”的单晶滴定锶,以前人们已经发现,用一种具有不同的原子结构的钙钛矿氧化物难以实现。但是,这个研究小组使用了一种聪明的方法,它能够超越这个极限,使材料的组合几乎是无限的。

研究者称,他们发明的晶体管可以用来制作互补的 MOS电路,同时也可以降低功率消耗。在将来,这些装置将会被大量生产,用以研发低功率的逻辑和微型晶片。前不久,王欣然教授和南京大学王金兰教授的研究小组共同宣布,世界上第一个大规模、均匀的二层二硫化钼,这是目前已知的最好的二维半导体材料之一,薄膜的外延生长。

东南大学教授马亮说:“我们的研究成果,不但打破了二硫化钼薄膜的层数可控生长技术瓶颈,开发出了性能最高的二硫化钼膜器件,并将其应用到其它二维材料的外延上,为以后的硅半导体器件的发展开辟了新的思路。”

在二硫化钼的研究中,二硫化钼的载流子迁移率和驱动电流都比单层二硫化钼高,在电子设备的应用中占有很大的优势。然而,采用常规方法制备的二硫化钼双层膜存在着层数均匀性差、膜不连续性等问题,研究小组提出了一种新型的基板诱导成核和“齐头并进”的新型生长机理。

值得一提的是,芯片制造商们,也在积极地进行着新的研究。英特尔与台积电将于2021年12月举行的 IEEE国际电子装置大会上,为解决二维半导体高阻、低电流问题提供了解决办法。在半导体与金属的接触处,存在着锋利的电阻尖,这是目前二维半导体面临的最大阻碍。

台积电与英特尔公司采用了半金属锑作为接触材料,以减少半导体与触头间的能量壁垒,以达到低阻性。从2019年起,台积电一直在寻求一种可以替代硅的二维材料。台积电在今年五月率先宣称,他们已经找到了半金属铋可以在很低的电阻下,成为二维半导体的粘结剂。但是铋的熔点太低,不能承受后续的晶片高温处理。

南京大学电子工程学院王欣然博士团队,着眼于中国国内市场的发展,在2021年九月,天马微电子(深天马)与天马公司的合作,为今后 Micro LED技术的发展开辟了一条崭新的技术路径。

1、集成电路渗透到我国各个行业

集成电路是我国科技发展的重要组成部分,也是我国各行各业实现智能化、数字化的基础。目前我国集成电路渗透到我国各个行业,例如工业机器人、5G网络建设、汽车电子以及计算机等重要科技领域,可以说集成电路是我国科技发展的基石,集成电路技术发展到位,我国才能够在科技领域不受制于人。

2、我国集成电路行业依赖进口较为严重

目前集成电路已渗透到我国各个行业,对于我国科技、工业等领域发展显得尤为重要,但因集成电路行业具有较高的技术壁垒,我国目前尚未完全突破技术壁垒,因此在7nm等精度较高的集成电路领域,我国仍需要进口。换言之,在关键技术领域,我国集成电路依赖进口较为严重。

2017-2020年,我集成电路进出口数量均呈现上升趋势,且进出口逆差也在不断扩大。根据海关总署数据显示,2020年中国共进口集成电路5431亿个,较2019年增加985亿个出口集成电路2596亿个,较2019年增加411个,贸易逆差为2835亿个。2021年1-2月,我国累计进口集成电路963亿个出口集成电路468亿个,贸易逆差为495亿个。

3、多项规划指明集成电路发展方向

在《中国制造2025》中针对集成电路产业的市场规模、产能规模等提出了具体的量化目标,同时在全国两会发布的《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》中也提到在事关国家安全和发展全局的基础核心领域,制定实施战略性科学计划和科学工程。瞄准人工智能、量子信息、集成电路等前沿领域,实施一批具有前瞻性、战略性的国家重大科技项目。

从国家急迫需要和长远需求出发,集中优势资源攻关关键元器件零部件和基础材料等领域关键核心技术。支持北京、上海、粤港澳大湾区形成国际科技创新中心,建设北京怀柔、上海张江、大湾区、安徽合肥综合性国家科学中心,支持有条件的地方建设区域科技创新中心。

3、政策规划下我国集成电路市场规模不断提升

在我国政策的促进下,我国集成电路行业主要代表企业不断突破技术壁垒,促进我国集成电路行业的发展,其中,中芯国际已能够生产n+1

nm的集成电路,虽不能完全替代7nm的芯片,但也能在短时间内解决我国机场电路短缺的问题。

根据中国半导体行业协会数据显示,2015-2020年我国集成电路市场规模呈逐年增加趋势。2020年我国集成电路市场规模为8848亿元,较2019年增加17.00%。

4、“十四五”期间各省份出台规划促进集成电路发展

目前长三角地区的安徽省、江苏省、上海市,泛珠三角地区的江西省、福建省、广东省、四川省均对“十四五”期间,集成电路的发展做出了明确的目标规划,形成了较为明确的集群化发展,除此之外,湖北省、重庆市以及山西省也针对“十四五”期间集成电路的发展做出了明确的目标规划。

综合来看,集成电路行业的发展对于我国工业智能化、5G网络、汽车电子、计算机等关键领域的发展起着至关重要的作用,但目前由于我国尚未完全突破集成电路的技术壁垒,到至我国对集成电路的进口依赖较为明显,未来在《中国智造2025》以及《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》的支持下,我国集成电路的发展会越来越好。

除国家层面外,我国经济较为发达的省份也在不停的摸索集成电路的发展,目前在长三角和泛珠三角地区已形成了集成电路发展的集群效应。

日前, 科技 君看到这样一则消息,事关光刻机。消息称,有AMSL专家曾表示,就是把光刻机图纸摆在你们面前,你们也无法造出光刻机。

这里,姑且把我们是否能造出来放在一边。 科技 君想说的是,图纸拿来,我们来造。

当然,此事纯属笑谈。AMSL设计图纸何其珍贵,其保密级别也不是一位专家说拿就能拿出来了。可是,没有光刻机,我们的芯片制程真的无法再向前推进吗?

目前看来好像是的,但任何事情都没有绝对。 科技 君相信芯片也一样,肯定会有另外的方法可以突破光刻机的限制。而这点,目前在中芯国际取得阶段性成果中得到了验证。此前,中芯国际已经宣布,在没有光刻机的情况下,采用特殊的N+1方案、N+2技术扩展,中芯国际芯片制程已经接近甚至达到了7纳米的水平 。 科技 君相信,既然有N+1、N+2方案,就可能会有N+3、N+4技术方案,只是这些还需要我们继续去研究和 探索 。尤其现在中芯国际芯片人才济济,两大芯片界奇才梁孟松和蒋尚义更是齐聚中芯国际,正是中芯国际发展和突破的最佳时机,一旦取得突破性进展,将一举改变我国缺芯少屏的尴尬局面。

众所周知,缺芯少屏是我国在半导体领域的一大痛点,每年在此项上花去超过上万亿美元的外汇,花钱的同时还要看对方脸色行事,没有一点作“上帝”的感觉。究其原因,就是因为关键技术把控在别人手里,只能受制于人。

目前虽然“少屏” 历史 正在改变,我国京东方生产的LED屏产量已经位居世界第一,OLED屏也已经达到了苹果级别的要求,前不久还正式通过了苹果公司的考核,成为iPhone12系列OLED屏幕的供应商之一,有了一定和以三星为代表的LED/OLED屏竞争能力,但在面板控制芯片方面还是受制于人。资料显示,我国面板IC芯片领域国产率不足1%,而三星一家就占据着75%的市场份额,亟待突破。

好消息是,华为正全面扎根半导体,转变新思路,由此前的专注芯片设计向晶圆芯片方面延伸,并且在上海建立芯片工厂,全力突破光刻机的难题,从根本上突破美国的芯片封锁。而从当前面板IC芯片生产和工艺水平来看,不需要最先进的制程技术,我国半导体芯片产业完全可以自主研发,完全有能力打破壁垒。

而日前更有俄罗斯媒体传出消息称,华为正在研制光子芯片。资料显示,光子芯片是利用半导体发光,结合光的宽带宽、抗干扰性和快速传播的特性,驱动其他硅光子器件,形成一个可以完成大型综合运算的光子芯片。也正是因为光的这些特性,光子芯片的计算速度是普通硅基芯片计算速度的50倍左右,并且功耗也只有硅基芯片的百分之一。可以预见,华为光子芯片一旦研制成功,芯片方面我国将从此摆脱受制于人的局面。

可以看出,华为不仅在光刻机方面开始发力,而且在芯片未来发展方面,亦开始投入巨大的人力、物力和财力的支持,正如在5G方面,华为用了10多年时间,积累了巨大的领先优势,摆脱依赖的同时,还站在了5G技术顶峰。如今,半导体芯片方面,华为又一次开始了新攀登,再过十年,AMSL专家还敢说“给你图纸这样的话吗?”

对此,你有什么看法?


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