楊德仁，中國(guó)科學(xué)院院士，浙江大學(xué)硅材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任，長(zhǎng)期從事半導(dǎo)體硅材料研究，在硅材料的基礎(chǔ)研究上取得重大成果，發(fā)明了微量摻鍺硅晶體生長(zhǎng)系列技術(shù)，系統(tǒng)解決了相關(guān)硅晶體的基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題，研究了納米硅的結(jié)構(gòu)、性能，成功制備出納米硅管等新型納米半導(dǎo)體材料。

1958年，杰克·基爾比發(fā)明了第一塊集成電路，吹響了人類進(jìn)入“硅時(shí)代”的號(hào)角。由于硅材料具有一定的半導(dǎo)體電學(xué)特性和物理穩(wěn)定性，因此成為制作集成電路襯底支撐的關(guān)鍵性固態(tài)材料。目前，全球95%以上的集成電路制作在硅片上。硅最早由瑞典科學(xué)家瓊斯·雅可比·貝采尼烏斯發(fā)現(xiàn)，他通過(guò)加熱石英砂、碳和鐵制得。該元素命名為silicon，源自拉丁文silex（燧石）。硅在地殼中含量高達(dá)26%，僅次于氧，居第二位。然而，自然界中硅不以單質(zhì)形式存在，而是以硅酸鹽、水晶、石英砂等化合物存在。美國(guó)硅谷的名字就是源于硅元素所推動(dòng)形成的新興產(chǎn)業(yè)。硅的結(jié)構(gòu)特殊，一個(gè)硅原子周圍有四個(gè)其他硅原子，形成立方金剛石結(jié)構(gòu)，賦予其諸多獨(dú)特性能和應(yīng)用。硅可用于鋼和鋁合金的添加劑，鋰離子電池的負(fù)極材料，以及光伏領(lǐng)域的太陽(yáng)能電池基礎(chǔ)材料。最重要的是，硅是集成電路的關(guān)鍵材料。

硅材料是集成電路的不二選擇

集成電路是信息產(chǎn)業(yè)的基石，也是高科技的“明珠”，而硅是集成電路的基礎(chǔ)材料。全球95%以上的半導(dǎo)體器件和90%以上的集成電路制作都是在硅片上完成的。所以說(shuō)，沒(méi)有硅就沒(méi)有集成電路，沒(méi)有集成電路就沒(méi)有信息社會(huì)，所以硅是現(xiàn)代信息社會(huì)的基礎(chǔ)和核心材料。硅之所以成為首選，原因有三個(gè)方面。一是其純度極高，在所有的物質(zhì)中，能夠被提得最純的就是硅材料，可達(dá)10個(gè)9以上，因此能控制材料里的電子輸運(yùn)性質(zhì)；二是能夠把原子排列成高度有序的單晶體結(jié)構(gòu)，自然界中只有鉆石才能做到這樣，但硅晶體的體積可以很大，能達(dá)300毫米直徑，這是其他材料所不具備的；三是原料豐富，地殼中含量高達(dá)26%，制備成本低廉，工藝成熟，能生長(zhǎng)大直徑、低缺陷的晶體，且可以做穩(wěn)定的氧化層，安全無(wú)毒。這些優(yōu)勢(shì)使硅在過(guò)去70年里穩(wěn)居集成電路基礎(chǔ)材料的核心地位。

如何制備多晶硅

硅很重要，但是不是從鵝卵石或石英礦里面燒制出來(lái)的硅材料，就可以用于集成電路的制作呢？硅材料是一個(gè)典型的點(diǎn)石成金材料，由硅石（以二氧化硅為主要成分的礦物）經(jīng)焦炭還原制得，也稱工業(yè)硅，純度約95%至99%，但無(wú)法直接用于集成電路。用于集成電路需進(jìn)一步提純至10個(gè)9以上的半導(dǎo)體級(jí)多晶硅，即每100億個(gè)硅原子中僅含1個(gè)其他原子。根據(jù)中間化合物的反應(yīng)，制備此高純材料主要有兩種工藝。一是三氯氫硅工藝（西門子工藝），最早由西門子公司發(fā)明，目前在全球占據(jù)主流。該工藝通過(guò)硅與鹽酸反應(yīng)生成三氯氫硅，經(jīng)多次精餾提純后，再還原出高純硅。此過(guò)程需多次提純，直至獲得高純中間化合物，最終還原得到高純多晶硅。二是硅烷工藝，首先把硅做成硅烷，再在800攝氏度左右分解直接得到硅。該工藝較為簡(jiǎn)單且能耗低，但硅烷易燃易爆，氣體處理復(fù)雜，全球產(chǎn)量?jī)H占10%左右。

近年來(lái)，我國(guó)多晶硅產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，特別是2005年后，受太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)推動(dòng)，成為全球發(fā)展最快的國(guó)家。2023年，我國(guó)電子級(jí)多晶硅產(chǎn)量約6000噸，占全球15%；光伏級(jí)多晶硅產(chǎn)量143萬(wàn)噸，占全球89%。全球上規(guī)模的多晶硅企業(yè)中，中國(guó)有9家；國(guó)際高純多晶硅企業(yè)中，中國(guó)有19家。此外，兩家硅烷法制備多晶硅的企業(yè)均在中國(guó)。我國(guó)在光伏級(jí)高純多晶硅產(chǎn)業(yè)上領(lǐng)先全球，電子級(jí)仍有待追趕。

制造單晶硅圓的工藝流程

制備出的多晶硅盡管純度很高，但高純度并不足以滿足集成電路制造的所有要求，還需要將多晶硅提純到足夠純凈的單晶硅，這涉及一系列復(fù)雜的科學(xué)原理和高度精密的技術(shù)過(guò)程。比如，高純多晶硅轉(zhuǎn)化為晶體可以通過(guò)直拉法實(shí)現(xiàn)：將高純多晶硅置于石英坩堝中加熱至1420攝氏度熔化，隨后用種子晶體接觸熔體并向上提拉，熔體逐漸凝固成單晶硅。此即直拉單晶硅的生長(zhǎng)過(guò)程。目前，直拉單晶硅直徑大、體積大、工藝成熟，是純度最高、結(jié)構(gòu)最完整、產(chǎn)業(yè)規(guī)模最大的半導(dǎo)體晶體材料，也是人類研究性能和結(jié)構(gòu)最透徹的人工晶體材料之一。

當(dāng)我們獲得硅晶體材料后，需進(jìn)行加工，因?yàn)橐粋€(gè)晶體棒無(wú)法直接使用。怎么加工？首先去除晶體的頭部和尾部（晶錠的切斷），接著將晶體滾圓以確保直徑一致（滾圓），然后使用金剛刀和線鋸將其切成一個(gè)個(gè)薄片（切片）。由于切出來(lái)的硅片表面粗糙不平，需用碾磨機(jī)磨平并去除損傷層（磨片），最后進(jìn)行拋光以提高表面整潔度和質(zhì)量，降低粗糙度。拋光要求極高，相當(dāng)于北京至杭州1100公里距離內(nèi)的高低起伏不超過(guò)一厘米。整個(gè)過(guò)程中，還需在各道工序間嚴(yán)格清洗硅片或晶錠，最后得到一個(gè)超凈的硅片。還有一種是在拋光硅片上面再加一層硅薄膜，這稱為外延硅片。這樣，所有集成電路均制備在這兩種硅片上，即硅的拋光片或外延片上，這就是集成電路所用的硅材料。

那么，我國(guó)集成電路硅材料的產(chǎn)業(yè)處于什么樣的狀態(tài)？目前，6英寸及以下小直徑硅片已實(shí)現(xiàn)完全國(guó)產(chǎn)化，8英寸硅片國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有率約40%～50%，12英寸硅片約占15%～20%，且28納米節(jié)點(diǎn)硅片已通過(guò)驗(yàn)證。在基礎(chǔ)研究方面，浙江大學(xué)的科研人員在國(guó)際上提出了摻氮直拉硅單晶概念，利用氮原子調(diào)控抑制納米級(jí)集成電路的微曲線問(wèn)題，該方案已被全球工業(yè)界廣泛采納，應(yīng)用于90納米節(jié)點(diǎn)以下集成電路，成為中國(guó)的一個(gè)創(chuàng)新解決方案。

超越摩爾的選擇——納米硅和硅基光電子

我們經(jīng)常聽到的芯片7納米、5納米、3納米，是指兩個(gè)元器件之間的特征線寬，就是集成電路內(nèi)部電路導(dǎo)線的寬度，它反映了集成電路的精細(xì)程度和集成度。集成度越高，所容納的元件數(shù)目越多。隨著集成電路的快速發(fā)展，特征線寬在不斷降低，從過(guò)去的180納米，到現(xiàn)在的10納米、7納米，7納米芯片大約能容納70億個(gè)晶體管。世界集成電路的制程工藝水平已經(jīng)由微米級(jí)、亞微米級(jí)、深亞微米級(jí)進(jìn)入到納米級(jí)階段，這對(duì)包括光刻在內(nèi)的半導(dǎo)體制程工藝提出了新的挑戰(zhàn)。隨著芯片制程愈發(fā)接近物理極限，有沒(méi)有新的硅材料能滿足納米級(jí)集成電路的制備呢？

一個(gè)指甲大小的集成電路能集成10億個(gè)元器件，目前技術(shù)已進(jìn)展至7納米、5納米、3納米，乃至挑戰(zhàn)1納米。但硅原子的原子間距約3.14A，3個(gè)硅原子即達(dá)1納米，接近物理極限，易引發(fā)量子隧穿效應(yīng)。在這種情況下，集成電路怎么發(fā)展？一是延續(xù)摩爾（More Moore），即繼續(xù)縮小特征線寬；二是超越摩爾（More than Moore），即多樣化集成。這對(duì)硅材料提出新要求：一是越做越大，硅片直徑需不斷增大，目前已達(dá)300毫米（12英寸）；二是越做越小，需探索納米級(jí)硅材料，如納米硅顆粒、納米線、納米管、納米帶。納米硅顆粒直徑小于100納米，特別當(dāng)尺寸小于4.9納米（硅的激子玻爾半徑）時(shí)，會(huì)展現(xiàn)出量子限域、表面效應(yīng)及多激子效應(yīng)，性能大幅提升，可替代傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料。這種納米硅能應(yīng)用于發(fā)光、鋰離子電池、生物技術(shù)及光伏等領(lǐng)域。通過(guò)調(diào)控納米硅顆粒直徑，可實(shí)現(xiàn)從藍(lán)光到紅光的全譜系發(fā)光，且支持電控制電子發(fā)光。

納米硅線作為硅基光電子光源，由哈佛大學(xué)的Lieber教授于1998年首次制備成功，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于集成電路。早期集成電路采用平面結(jié)構(gòu)，現(xiàn)代則使用FinFET結(jié)構(gòu)，其中硅部分被豎起。3納米及以下器件中，硅呈現(xiàn)為線狀，形成納米硅線環(huán)柵或圍柵結(jié)構(gòu)，這一結(jié)構(gòu)已成為主流。今后還會(huì)把納米線變成納米片，做成圍柵結(jié)構(gòu)。我國(guó)科學(xué)家在納米硅領(lǐng)域的研究取得顯著成就，如成功制備納米硅顆粒、納米硅線及納米硅管，特別是做出了全世界首個(gè)納米硅管，引導(dǎo)了國(guó)際上納米硅管的制備。同時(shí)，在納米硅圍柵器件領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了突破，如北京大學(xué)團(tuán)隊(duì)在硅納米線GAA彈道運(yùn)輸研究中，首次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了彈道輸運(yùn)效率與自熱效應(yīng)，也首次提取了硅納米線圍柵器件的漲落源，并通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)大幅提升了器件的模擬與射頻性能。

當(dāng)硅片的特征線寬到了28納米以后，雖然芯片的性能仍在提高，但是成本卻不再降低，摩爾定律近乎失效。除此之外，當(dāng)特征尺寸到了1納米以后，將會(huì)遇到電信號(hào)延遲、帶寬受限和功耗密度的不斷上升的問(wèn)題。如何超越摩爾定律？

一種通過(guò)將光子引入到硅基集成芯片上的技術(shù)脫穎而出，這就是硅基光電子技術(shù)。硅基光電子是超越摩爾定律的一個(gè)重要方向，它將微電子與光電子結(jié)合。微電子以集成電路為基礎(chǔ)，主要依賴電子的輸運(yùn)，而光電子則在光與電之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，支撐了激光、互聯(lián)網(wǎng)和光纖等高科技產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。硅基光電子在集成電路上實(shí)現(xiàn)了光的傳輸與控制，由于光在硅中的傳輸速度比電子快1000倍以上，因此其性能可以大幅提升。硅基光電子的優(yōu)勢(shì)包括帶寬增加10倍以上、功耗降低10倍以上、無(wú)電磁干擾、重量和體積可能降低到1/10、接口密度增加等。它已成為數(shù)據(jù)中心、通信、自動(dòng)駕駛、傳感、高性能計(jì)算和人工智能等領(lǐng)域的重要應(yīng)用場(chǎng)景，成為集成電路發(fā)展的重要方向。西方發(fā)達(dá)國(guó)家，如美國(guó)、日本、德國(guó)的大型企業(yè)早在20年前就布局硅基光電子，進(jìn)行了長(zhǎng)期投入和研發(fā)。比如，美國(guó)成立了一個(gè)專門的12英寸、300毫米的硅基光電子研究項(xiàng)目，大力推動(dòng)硅基光電子，這已經(jīng)成為一個(gè)重要產(chǎn)業(yè)爆發(fā)的前夜。預(yù)計(jì)今年，硅基光電子的銷售額將是2020年的4倍。

為什么要讓硅基發(fā)光

硅基光電子材料的制備，包括光源、波導(dǎo)、調(diào)制、探測(cè)、封裝等不同階段，其中最核心的就是硅基光源，也就是讓硅基發(fā)光。因?yàn)楣璨牧鲜情g接半導(dǎo)體材料，發(fā)光強(qiáng)度、發(fā)光效率極低，可以說(shuō)幾乎是不發(fā)光的。因此能否結(jié)合硅基異質(zhì)集成，在硅上制備新材料，讓硅基發(fā)光？這很難，因?yàn)榧纫Ａ艄杌呻娐返墓δ?，又要讓它發(fā)光。半導(dǎo)體發(fā)光已是重要產(chǎn)業(yè)，如半導(dǎo)體照明、激光、半導(dǎo)體顯示等，但這些都依賴化合物半導(dǎo)體，成本高且與集成電路不兼容。如何在硅上利用集成電路兼容技術(shù)實(shí)現(xiàn)發(fā)光，成為國(guó)際難題和研究前沿。

科學(xué)家們嘗試了各種方法，如多孔硅、硅納米晶、硅有機(jī)發(fā)光等八九種路徑。其中，硅基鍵合是一項(xiàng)重要技術(shù)，它先在另外的一個(gè)工藝線上把激光器做好，主要的是磷化銦激光器，再通過(guò)鍵合將其與集成電路結(jié)合，讓光進(jìn)入電路，稱為混合激光器。這項(xiàng)技術(shù)由美國(guó)英特爾公司和有關(guān)大學(xué)合作發(fā)明，已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，用于芯片間的光互聯(lián)。但它未在芯片上直接制備光源，存在對(duì)準(zhǔn)難、密度受限等問(wèn)題，且與集成電路工藝不兼容。所以，這僅是做了硅基光電子的第一步。我國(guó)科學(xué)家在此領(lǐng)域也做了許多工作。浙江大學(xué)有關(guān)團(tuán)隊(duì)2007年就在硅基上通過(guò)氧化鋅實(shí)現(xiàn)了室溫電泵隨機(jī)激射，這是國(guó)際首次。北京郵電大學(xué)團(tuán)隊(duì)在硅基銦砷和鎵砷量子點(diǎn)激光器上取得世界先進(jìn)水平成果，2023年首次實(shí)現(xiàn)SOI（絕緣層上硅）級(jí)的電泵激射，功率超60毫瓦，室溫外推壽命超2萬(wàn)小時(shí)，成為國(guó)際硅基量子點(diǎn)領(lǐng)域的一大亮點(diǎn)。

硅材料是集成電路的基礎(chǔ)材料，它支撐了整個(gè)集成電路的發(fā)展，也支撐了信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。而摩爾定律的發(fā)展走到了極限，More Moore和More than Moore兩個(gè)賽道上都需要硅基新材料。可以看到，硅基的納米硅材料、硅基的異質(zhì)集成的新材料、硅基光電子的新材料等，都促進(jìn)了集成電路向新一代的器件發(fā)展，促進(jìn)了集成電路進(jìn)一步的深化發(fā)展?？梢韵胂?，在集成電路新材料的支撐下，集成電路將超越摩爾定律，為人類的信息產(chǎn)業(yè)、高科技產(chǎn)業(yè)提供基礎(chǔ)的支撐。

來(lái)源：內(nèi)容轉(zhuǎn)自學(xué)習(xí)時(shí)報(bào)，作者：楊德仁 ，謝謝。