半导体技术的材料问题

电子组件进入纳米等级后，在材料方面也开始遭遇到一些瓶颈，因为原来使用的材料性能已不能满足要求。最简单的一个例子，是所谓的闸极介电层材料；这层材料的基本要求是要能绝缘，不让电流通过。使用的是由硅基材氧化而成的二氧化硅，在一般状况下这是一个非常好的绝缘材料。

但因组件的微缩，使得这层材料需要越做越薄。在纳米尺度时，如果继续使用这个材料，这层薄膜只能有约 1 纳米的厚度，也就是 3 ~ 4 层分子的厚度。但是在这种厚度下，任何绝缘材料都会因为量子穿隧效应而导通电流，造成组件漏电，以致失去应有的功能，因此只能改用其它新材料。但二氧化硅已经沿用了三十多年，几乎是集各种优点于一身，这也是使硅能够在所有的半导体中脱颖而出的关键，要找到比它功能更好的材料与更合适的制作方式，实在难如登天。

而且，材料是组件或 IC 的基础，一旦改变，所有相关的设备与后续的流程都要跟着改变，真的是牵一发而动全身，所以半导体产业还在坚持，不到最后一刻绝对不去改变它。这也是为什么 CPU 会越来越烫，消耗的电力越来越多的原因。因为CPU 中，晶体管数量甚多，运作又快速，而每一个晶体管都会「漏电」所造成。这种情形对桌上型计算机可能影响不大，但在可携式的产品如笔记型计算机或手机，就会出现待机或可用时间无法很长的缺点。

也因为这样，许多学者相继提出各种新颖的结构或材料，例如利用自组装技术制作纳米碳管晶体管，想利用纳米碳管的优异特性改善其功能或把组件做得更小。但整个产业要做这么大的更动，在实务上是不可行的，顶多只能在特殊的应用上，如特殊感测组件，找到新的出路。

芯片工艺发展到1nm以后怎么办？这的确是一个问题，因为单原子硅的直径就大于0.1nm了，1nm也就10个硅原子不到的样子，这个时候量子隧穿效应将使得“电子失控”，出现芯片失效的问题，而且实际上不需要到1nm就会出现量子隧穿效应。对于这个问题，目前的说法是更换材料，不再使用硅材料，当然这个其实也可以说是治标不治本，因为再好的材料，最终也有一个极限，所以从传统的半导体工艺视角来看，摩尔定律的确是岌岌可危了。

那么什么是摩尔定律？摩尔定律是由英特尔创始人之一的戈登·摩尔提出来的，其内容为：集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔两年便会增加一倍。但是我们要知道摩尔定律不是物理规律和自然规律，该定律只是对现象的观测或对未来的推测，不是说一直都会成立。从逻辑上来看，物质无法无限细分下去，所以到了一定程度后摩尔定律会失效，所以大家担心摩尔定论失效是很正常的。

而最近几年随着工艺的不断发展，最新的工艺已经到5nm了，3nm也已经在宣传中了，大家对摩尔定律的失效是越来越担心了，不过从工艺跌倒的速度来看，到2030年之前应该还可以继续玩下去，等到了1nm的时候，就真的需要想点办法了，换材料的想法和相关实验早就在进行了，但是目前还没有真正的达到预期中的水平，不过这也不是第一次摩尔定律恐慌了。

那么2030年之后怎么办？或者说就算换材料成功了，也只能再延续一段时间，总有一天会遇到那堵墙的，这条肯定会有尽头。不过我们不要忘记了摩尔定律的本意，虽然当初说的是晶体管数量增加，但是其本意还是芯片性能的提升，而后来英特尔首席执行官大卫·豪斯根据摩尔定律提出，预计每18个月会将芯片的性能提高一倍，如果从这个角度来看，那摩尔定律显然还会具有很长的生命力。

因为性能的提升不是只有半导体工艺提升这一条路，目前来说未来还可以通过更先进的封装来进行性能提升，以及架构上的优化，或者说其他计算方式带来的革命，譬如量子计算等技术。总之个人对计算性能的发展前景还是很看好的，只要有技术和人才的投入，计算机性能的提升将不会停止其步伐，至于半导体工艺面临摩尔定律失效的问题，并不会对计算机性能提升带来致命的影响。

半导体是什么？半导体有什么用？

半导体是什么？举个例子，我们都知道金属铜是导体，观察它的原子结构图就会发现它的最外层只有一个电子，我们把这个电子称为假电子。因为原子核与价电子之间的吸引力较小，所以一旦受到外力吸引，这个垫子就很容易脱离铜原子，成为一个自由电子，这也是同能够成为导体的主要原因。同理，观察绝缘体的原子结构就会发现他们通常拥有八个加电子及其稳定。顾名思义，半导体应介于二者之间。

那么它的原子结构又是怎么样的呢？观察元素周期表就可以发现，在导体和绝缘体的分界线附近的元素就是制作半导体的重要材料，硅元素当然是最有影响力的一个，观察原子结构图就会发现它的最外层有四个电子，要想达到平衡，不是舍弃四个垫子，就是在拉拢四个电子，而归原子在排列时巧妙地共享了上下左右四个电子，手拉着手，组成了稳定八电子结构，也就是共价键。

那么硅的导电性又从何而来呢？当温度大于绝对零度时，处于价带的电子就可能发生跃迁，变成自由电子，同时原来的位置上就会形成一个空穴，也就是说，归经体内会存在等量的自由电子和空穴，他们都可以起到导电的作用，这就是纯净半导体，也叫做本征半导体。它的结构虽然完美，但是想要增加半导体的导电能力，还需要掺杂其他元素。当我们把硅原子替换成五价磷原子时，就可以提高自由电子的浓度，得到N型半导体。

同理，如果用最外层只有三个电子的硼原子替换硅原子，提高空穴的浓度，就可以得到P型半导体，那么把这两种类型的半导体连接在一起会发生什么呢？N级的电子迫切的想扩散到P区，P区空穴拼命想要扩散到N区，这时就会形成一个由N指向P的内电场，阻止扩散进行，在二者达到动态平衡之后，就会在交界面形成一个空间电荷区，这就是PN结。

PN结具有单向导电性，我们常见的二极管便是利用这个特性制成的。而利用太阳光照射PN结，就会激发产生电子空穴，对经过界面层的电荷分离，就会形成一个由P指向N的光生电场，这就是光生伏特效应，也是太阳能电池的基本原理。