硅非常棒。

從最初的原始臺(tái)式計(jì)算機(jī)到袖珍型超級(jí)計(jì)算機(jī)（我們稱為智能手機(jī)），電子計(jì)算的穩(wěn)步發(fā)展已證明了硅卓越的價(jià)值，而它的發(fā)展已超過70年。

如果我們恰到好處地配制硅，將其成型為晶體管，它既可以作為導(dǎo)體，也可以作為絕緣體，這取決于您所要經(jīng)過的電荷，這是整個(gè)數(shù)字革命的基礎(chǔ)，包括互聯(lián)網(wǎng)以及從TikTok到互聯(lián)網(wǎng)的一切都是基于其實(shí)現(xiàn)的。

但是硅的劣勢(shì)正在凸顯。微芯片的計(jì)算能力每?jī)赡昕煽康胤环@就是所謂的摩爾定律（Moore‘s Law），但這個(gè)運(yùn)行了數(shù)十年的定律一直在放緩，并且可能很快就會(huì)終結(jié)。據(jù)我們了解，使用當(dāng)前的方法，將元素蝕刻到最小尺寸小于約3納米的硅（如晶體管）中幾乎是不可能的。（從一個(gè)角度看，一個(gè)3納米的膜厚度可以低至15個(gè)原子。）因此，技術(shù)行業(yè)正在尋找其他奇妙的材料來代替舊的硅，或者至少與之結(jié)合以大大提高其硅的厚度和能力。

UT Austin的Deji Akinwande和一位同事展示了一種使用硅和石墨烯制成的原型設(shè)備，可以檢測(cè)冠狀病毒顆粒。

物理學(xué)、化學(xué)和工程學(xué)前沿的研究人員正在試驗(yàn)用于微芯片的奇異物質(zhì)。它們包括石墨烯，黑磷，過渡金屬二鹵化物和氮化硼納米片?？偟膩碚f，它們被稱為2-D材料，因?yàn)樗鼈兪莾H一個(gè)原子或兩個(gè)厚度的平板。僅僅在20年前還不為人所知，現(xiàn)在它們已在實(shí)驗(yàn)室中定期制造，使用的方法包括平凡的攪拌機(jī)和棘手的高溫氣相沉積法。

項(xiàng)研究的某些結(jié)果已經(jīng)可以在今天出售的設(shè)備中找到，但預(yù)計(jì)在未來十年中將出現(xiàn)更多，為我們的小工具帶來新的功能。這些將包括新穎的功能，例如智能手機(jī)中的紅外夜視模式，以及功能強(qiáng)大的功能，例如速度快10倍且功率效率更高的微芯片。這可以實(shí)現(xiàn)新形式的人機(jī)交互，例如適合日常眼鏡的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。

聽起來像科幻小說嗎？實(shí)際上，其中一些是。由于各種原因，這些二維材料的許多潛在應(yīng)用不會(huì)在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)，包括將它們與現(xiàn)有電子設(shè)備一起使用并集成到其中的難度，或者說每年制造數(shù)十億個(gè)設(shè)備的難度。

為了尋求幫助，研究人員必須對(duì)所有這些潛在材料進(jìn)行分類。一支小型軍隊(duì)正在努力，他們來自數(shù)十所大學(xué)以及 IBM?， 三星， TSMC，GlobalFoundries以及世界上幾乎所有其他大型芯片設(shè)計(jì)或制造公司。他們正在尋找理想特性和可制造性的正確組合，即能夠可靠地大量生產(chǎn)的能力。

在曼徹斯特大學(xué)超高真空室中創(chuàng)建的納米級(jí)設(shè)備大約相當(dāng)于花粉粒的大小。

所有二維材料的祖父都是石墨烯。如果我們能夠像魔術(shù)校車一樣收縮自己，并懸停在其表面上方，則石墨烯看起來就像是由碳原子制成的六邊形的平面。石墨烯就像鉛筆中的石墨，只是排列成平面晶體。

1940年代對(duì)它的存在進(jìn)行了理論化，但是直到2004年，研究人員才對(duì)其進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮铣珊捅碚?。（它為他們贏得了諾貝爾獎(jiǎng)。）

石墨烯很強(qiáng)，并且具有導(dǎo)熱的天賦，因此它已經(jīng)找到了使智能手機(jī)及其電池保持涼爽以及延長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)裝備壽命的應(yīng)用。由于其特性更類似于金或銅等其他導(dǎo)體，因此不太可能替代硅。但是它確實(shí)具有許多獨(dú)特的特性，使其與傳統(tǒng)的硅微芯片結(jié)合使用時(shí)非常有用。

位于圣地亞哥的初創(chuàng)公司Cardea Bio已經(jīng)開始銷售這種組合系統(tǒng)。它的新傳感器“生物門控晶體管”將生物活性分子（例如某些抗體）附著到石墨烯片上，而石墨烯又附著在硅片上。石墨烯不僅是一種很好的導(dǎo)體，而且對(duì)任何可能干擾其導(dǎo)電性的接觸都非常敏感。

Cardea Bio首席執(zhí)行官M(fèi)ichael Heltzen說：“生物學(xué)的美麗之處在于它是技術(shù)，它具有組織上的復(fù)雜性?！?他補(bǔ)充說，石墨烯可以將生物學(xué)的模擬世界轉(zhuǎn)化為人類工程師和人類構(gòu)建的系統(tǒng)可以操縱和收集數(shù)據(jù)的數(shù)字世界。

初創(chuàng)公司Cardea Bio的“生物門控晶體管”可以與抗體或微生物等顆粒相互作用。

Heltzen先生說，Cardea Bio的系統(tǒng)目前正在搭配在研究人員使用的儀器中出售，這種芯片有一天可以掃描液體中的特定有機(jī)分子，即幾乎所有大小不一的有機(jī)物都可以進(jìn)入環(huán)境。該公司宣布，作為佐治亞理工學(xué)院的一個(gè)項(xiàng)目的一部分，該項(xiàng)目是由美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局資助的，它正在制造一種傳感器，該傳感器可以檢測(cè)空氣流中的冠狀病毒顆粒。有人呼出病毒顆粒后不久，建筑物內(nèi)的此類設(shè)備即可檢測(cè)出SARS-CoV-2。如果可行，最終可能導(dǎo)致可以重新編程以檢測(cè)其他病原體的系統(tǒng)。

德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校研究二維材料的教授 Deji Akinwande表示，其他即將出現(xiàn)的石墨烯-硅團(tuán)隊(duì)合作包括超薄，超靈敏的相機(jī)。這是因?yàn)槭┛梢允构鈧鞲衅鲗?duì)光的敏感度比硅制成的傳感器高一百倍。此外，由于石墨烯基材料可以在更寬的電磁頻譜范圍內(nèi)“看到”，因此可以使微型，廉價(jià)，高分辨率的紅外攝像機(jī)成為可能，這些攝像機(jī)可以裝入智能手機(jī)。這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)處于原型階段，可以使我們的智能手機(jī)相機(jī)看到物體產(chǎn)生的熱量。

此外，Akinwande博士及其同事預(yù)測(cè)，到本世紀(jì)中葉，二維材料對(duì)光的處理可能會(huì)讓我們的設(shè)備進(jìn)行更有意義的升級(jí)。光將是微芯片與計(jì)算機(jī)內(nèi)部其他組件之間以及內(nèi)部以及之間的較快，更有效的通信方式，從而加快了電子在微芯片和通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部被光子替換的速度。

Akinwande博士說，二維材料可能會(huì)產(chǎn)生巨大影響的另一個(gè)領(lǐng)域是將微芯片堆疊在一起，例如高層建筑。硅堆棧已經(jīng)在閃存和移動(dòng)設(shè)備芯片中很普遍，而這些設(shè)備和移動(dòng)設(shè)備芯片中的空間非常寶貴，例如Apple Watch內(nèi)部。

Akinwande博士檢查了用于對(duì)生物過程進(jìn)行電子測(cè)量的基于石墨烯的晶體管陣列。

由于二維材料只有一個(gè)原子或兩個(gè)厚度，因此它們可以在硅微芯片上生長(zhǎng)，也可以分別生長(zhǎng)，然后小心放置。賓夕法尼亞大學(xué)專門研究納米技術(shù)的工程學(xué)教授Deep Jariwala說，這與僅堆疊硅層的方案相比有兩個(gè)優(yōu)勢(shì)。首先是可以堆疊許多芯片而不會(huì)增加芯片的高度。第二個(gè)原因是某些二維材料（尤其是石墨烯）的散熱效果非常好，工程師可以使用它們來制造高樓板，其運(yùn)行速度比傳統(tǒng)微芯片還要快，而不會(huì)燒壞自己。

在曼徹斯特大學(xué)，研究人員創(chuàng)建了一種超凈設(shè)備，用于將二維材料堆疊在一起。由于這些材料很容易被空氣損壞，因此所有這些操作都必須在真空室內(nèi)進(jìn)行。

將這種尖端的制造技術(shù)轉(zhuǎn)化為可能在世界上最大的微芯片工廠（由臺(tái)積電，三星和GlobalFoundries等公司運(yùn)營(yíng)的所謂“晶圓廠”）中發(fā)生的事情，是將二維材料帶入現(xiàn)實(shí)的關(guān)鍵，Playground Global的風(fēng)險(xiǎn)投資家Peter Barrett表示，他投資于從事下一代微芯片及其材料研究的公司。

Peter Barrett先生說：“硅的成功，在于它的制造性。”

也許，從現(xiàn)在開始的數(shù)年或數(shù)十年后，一旦對(duì)某些新穎的2-D材料有了足夠的了解，并花費(fèi)了數(shù)十億美元以全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的規(guī)模推出這些材料，其中的一種或多種可能會(huì)取代硅Jariwala博士說，它在我們計(jì)算機(jī)內(nèi)部的一些主要應(yīng)用程序中都發(fā)揮了重要作用。

他補(bǔ)充說，一種這樣的二維材料已經(jīng)顯示出了希望，因?yàn)樗煌谑?，它是一種良好的半導(dǎo)體，這種二維材料就是二硫化鉬。它已被用于創(chuàng)建靈活的電子設(shè)備和簡(jiǎn)單的微處理器。而且，它作為潛在的硅替代品的適用性并不孤單：它是數(shù)百種（甚至數(shù)千種）有前途的材料的大家族中的一部分。與許多此類物質(zhì)一樣，它面臨的一項(xiàng)挑戰(zhàn)是制造和處理它們可能很困難。

Peter Barrett先生說，與此同時(shí)，現(xiàn)有硅芯片的新穎應(yīng)用，例如量子計(jì)算和模仿人腦的“神經(jīng)形態(tài)”計(jì)算，將推動(dòng)工程師將硅推向絕對(duì)的物理極限，并在此過程中為未來的發(fā)展鋪平道路。

從不斷縮小的電子產(chǎn)品和破解代碼到云計(jì)算和人工智能，對(duì)我們硬件的需求增長(zhǎng)速度超過了當(dāng)前技術(shù)的增長(zhǎng)速度。他補(bǔ)充說，足夠的需求加上實(shí)驗(yàn)室中足夠的進(jìn)展，最終可能證明，為了將二維材料帶到中心舞臺(tái)，我們所支付的巨額投資是合理的。

原文標(biāo)題：可以替代硅的神奇材料

文章出處：【微信公眾號(hào)：5G半導(dǎo)體】歡迎添加關(guān)注！文章轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。

責(zé)任編輯：haq