中國打破下一代芯片“黃金半導體”生產壁壘

幾十年來，硅一直是無可爭議的計算之王，為從智能手機到超級計算機的一切提供動力。但隨著工程師將硅芯片推向其基本物理極限，全球尋找繼任者的競賽愈演愈烈?，F在，中國科學家的一項突破帶來了重大飛躍，釋放了硒化銦的大規模生產潛力——這種材料因其卓越的性能而被譽為“黃金半導體”。

由北京大學和中國人民大學團隊領導的研究于 2024 年 5 月 10 日發表在著名期刊《科學》上，設計了一種新方法來克服阻礙硒化銦廣泛使用的關鍵瓶頸。與硅相比，這種半導體具有固有的優勢，包括未來電子設備的潛在更高性能和更低能耗。然而，實現銦原子和硒原子保持完美 1：1 比例的高質量材料的大規模生產一直是一個持續的挑戰。

“黃金”挑戰和巧妙的解決方案

核心問題在于所需的微妙原子舞蹈?！昂诵奶魬鹪谟谠谏a過程中精確維持銦和硒的理想 1：1 原子比，”北京大學物理學院劉開慧教授解釋道，正如該研究的報道所報道的那樣。傳統方法難以大規模一致地實現這一目標，導致缺陷削弱了材料的電子電位。

中國團隊的創新優雅簡單，但非常有效。他們在密封環境中加熱無定形硒化銦薄膜和固體銦。至關重要的是，汽化的銦原子遷移到薄膜邊緣，形成富含銦的液體界面。該界面充當自調節區，逐漸引導形成具有近乎完美原子排列的高質量硒化銦晶體?！斑@種方法確保了正確的原子比......并克服了關鍵的瓶頸，“劉教授說。

從實驗室好奇心到工業前景

結果是切實而重要的。研究人員成功生產出直徑為 5 厘米（2 英寸）的均勻硒化銦晶圓，這是邁向工業規模制造的重要一步。更重要的是，他們通過直接在這些晶圓上構建大規模的高性能晶體管陣列，證明了這種材料的實際可行性。

北京大學電子學院研究員邱晨光強調了直接的應用潛力：“晶體管......可以直接用于集成芯片器件。從概念驗證到功能器件集成的轉變標志著一個重要的里程碑，將硒化銦超越了理論上的前景，進入了實用的下一代電子領域。

為什么“黃金半導體”對未來很重要

這一突破的影響遠遠超出了實驗室的范圍。隨著硅芯片在不產生過多功耗和發熱的情況下保持性能提升面臨越來越大的困難，硒化銦等替代品變得至關重要。其獨特的結構和電子特性可以實現：

• 更快的計算：電子遷移率明顯高于硅的潛力。

• 更低的功耗：更高效的運營，對于移動設備和大型數據中心至關重要。

• 高級應用：對新型計算架構和專用傳感器的潛在適用性。

全球芯片競賽升溫

這一發展使中國在先進半導體材料研究方面穩居前列。雖然大規模生產和商業化整合需要進一步的發展和投資，但解決硒化銦的根本生產挑戰開辟了一條重要的新途徑。它標志著全球競爭日益激烈，以定義將推動從人工智能到量子計算的下一波技術創新浪潮的材料。

大規模生產“黃金半導體”硒化銦的這一突破不僅是一項科學成就，而且是一項科學成就。它對整個電子行業來說是一個潛在的游戲規則改變者。通過解決關鍵的原子比問題，中國研究人員為最終超越硅極限的高性能、節能芯片鋪平了道路。“黃金半導體”時代的到來可能比預期的要快。探索最新的芯片創新，了解這將如何塑造您的技術未來。

問：“黃金半導體”到底是什么？
答：“黃金半導體 ”一詞是指硒化銦（InSe），一種化合物半導體材料。它因其獨特且非常理想的電子特性而贏得了這個綽號，特別是與硅相比，它具有高電子遷移率和低功耗的潛力，使其對未來的先進芯片具有價值。

問：為什么以前大規模生產硒化銦如此困難？
答：核心挑戰是在生產過程中始終如一地保持銦 （In） 與硒 （Se） 的精確 1：1 原子比。偏離該比率會引入缺陷，嚴重降低材料的電子性能，使其不適合可靠的芯片制造。

問：是什么讓中國的這一突破如此重要？
答：研究人員開發了一種使用固體銦的新型密封加熱方法，該方法可形成自調節的液體界面。這確保了晶體生長過程中正確的 In：Se 比例，首次能夠生產出大型（直徑 5 厘米）的高質量硒化銦晶圓，克服了工業用途的主要瓶頸。

問：這些黃金半導體有哪些潛在應用？
答：硒化銦芯片可以實現更快的計算速度、更節能的電子產品（延長電池壽命），并有可能為下一代技術提供動力，如先進的人工智能系統、專用傳感器和硅難以解決的新型計算架構。

問：我們什么時候可以看到使用硒化銦芯片的設備？
答：雖然這是一項重大的生產突破，但將其轉化為商業消費設備將需要大量的進一步工程設計、制造規模擴大和集成工作。它可能代表了本十年后半葉或更遠的一項技術，但現在道路更加清晰。