半導(dǎo)體材料變遷：從鍺到硅奠定當(dāng)代集成電路基礎(chǔ)，后硅時代Si+新材料蓄勢待發(fā)

半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中的核心材料變遷，是科技史上一個很有趣的演化過程。被稱為半導(dǎo)體教父的張忠謀博士，最先加入TI，從事的便是數(shù)年間的鍺材料的晶體管研發(fā)工作。后來才升任為硅片部的總經(jīng)理。而后升任職于集成電路部門的掌門人。

從鍺到硅，從晶體管到集成電路——半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)真正進(jìn)入“芯片時代”

在早期的半導(dǎo)體發(fā)展中，鍺確實是主角。20世紀(jì)40年代末，貝爾實驗室的科學(xué)家們發(fā)明了晶體管的時候，用的就是鍺。為什么選鍺呢？因為它當(dāng)時是個好選擇：鍺的電子遷移率高，能讓電流傳導(dǎo)更順暢，而且提煉技術(shù)也相對成熟。1947年，約翰·巴丁和沃爾特·布拉頓在一個點接觸式鍺器件上實現(xiàn)了晶體管效應(yīng)，世界上第一個點接觸晶體管（point-contact transistor）誕生，用的是鍺材料，那一刻可以說開啟了現(xiàn)代電子革命。

但鍺的問題很快就暴露出來了。首先，它對溫度很敏感，高溫下性能會下降，這對需要穩(wěn)定運行的電子設(shè)備來說是個麻煩。它具有低帶隙（0.67 電子伏特，而硅為 1.12 eV），這是將電子從原子中敲入導(dǎo)帶所需的能量。因此，由這種銀色元件制成的晶體管具有更高的漏電流：隨著溫度的升高，它們微妙平衡的結(jié)點實際上被淹沒在成群結(jié)的自由電子海洋中。高于約 75 °C，鍺晶體管完全停止工作。其次，鍺資源稀缺，成本也高。而硅呢，雖然一開始提煉純度不夠，但隨著技術(shù)進(jìn)步，到1950年代，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)硅不僅更穩(wěn)定、耐高溫，而且地球上硅的儲量豐富得多——畢竟沙子主要成分就是二氧化硅。于是，硅開始嶄露頭角。1954年，德州儀器（TI）的工程師戈登·蒂爾用硅做出了第一個商用晶體管，從那以后，硅逐漸取代鍺，成為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的主流材料。

再說晶體管和集成電路的故事。晶體管剛發(fā)明時，簡直是個奇跡。它比真空管小得多、耗電少、壽命長，徹底改變了電子設(shè)備的面貌。但單個晶體管的功能畢竟有限，當(dāng)時電子設(shè)備依賴大量分立元件（如晶體管、電容、電阻），通過手工焊接連接，不僅笨重且容易出錯。比如，1950年代的計算機，雖然比真空管時代進(jìn)步了，但仍然像個龐然大物。如何將多個元件集成到一個單元，成為行業(yè)內(nèi)的迫切需求。

到了1958年，事情有了轉(zhuǎn)機。德州儀器的杰克·基爾比和飛兆的羅伯特·諾伊斯幾乎同時提出了“集成電路”（IC）的概念。

那是1958年夏天，TI的工程師杰克·基爾比（Jack Kilby）提出了一個大膽的想法：將多個電子元件集成在一塊半導(dǎo)體材料上，而不是分開制造再連接?；鶢柋犬?dāng)時剛加入TI不久，公司正值暑期休假，他獨自在實驗室工作。9月12日，他用鍺片成功演示了第一個集成電路原型——一個簡單的振蕩器。這塊電路包含晶體管、電容和電阻，全部刻在一小塊鍺上，用細(xì)金線連接。他的設(shè)計雖然粗糙（比如需要外部連線），但證明了集成多個功能的可能性。TI在1959年2月6日為這項發(fā)明申請了專利（美國專利號3,138,743）。

幾乎與此同時，F(xiàn)airchild Semiconductor 的羅伯特·諾伊斯（Robert Noyce）也在思考類似的問題。諾伊斯是 Fairchild Semiconductor 的聯(lián)合創(chuàng)始人之一，該公司由“八叛逆”于1957年創(chuàng)立，專注于硅技術(shù)。1958年下半年，諾伊斯提出了一種改進(jìn)方案：不僅將元件集成在一塊硅片上，還通過平面工藝（Planar Process）用光刻技術(shù)制作連接線路，避免了基爾比設(shè)計中手工連線的不足。1959年1月23日，諾伊斯在筆記本中記錄了這一想法，7月30日，F(xiàn)airchild Semiconductor 正式提交專利申請（美國專利號2,981,877）。諾伊斯的平面工藝后來成為現(xiàn)代集成電路制造的基礎(chǔ)。

·TI（基爾比）：1958年9月12日首次演示，1959年2月6日申請專利。

·Fairchild Semiconductor（諾伊斯）：1958年下半年構(gòu)思，1959年7月30日申請專利。

盡管基爾比的演示比諾伊斯的專利申請早了幾個月，但兩人的工作是獨立完成的，且各有側(cè)重：基爾比驗證了集成概念，諾伊斯完善了制造工藝。

TI和 Fairchild Semiconductor 的發(fā)明引發(fā)了長達(dá)十年的專利糾紛。1960年代，雙方公司對簿公堂，最終在1969年達(dá)成和解，同意交叉授權(quán)專利。學(xué)術(shù)界和工業(yè)界后來達(dá)成共識：基爾比和諾伊斯共同奠定了集成電路的基礎(chǔ)。2000年，基爾比因發(fā)明集成電路獲諾貝爾物理學(xué)獎（諾伊斯已于1990年去世，無法共同獲獎），但諾伊斯的貢獻(xiàn)也被廣泛認(rèn)可。

所謂英雄所見略同，德州儀器（TI）與 Fairchild Semiconductor 在1958年分別但幾乎同時發(fā)明集成電路（IC）的歷史。這段歷史確實是電子技術(shù)發(fā)展中的關(guān)鍵時刻，充滿了創(chuàng)新與競爭。

集成電路的厲害之處在于，它把晶體管、電阻、電容這些零件微縮并集成在一小塊芯片上，不但省空間，還提高了可靠性。從此，電子設(shè)備的復(fù)雜度可以指數(shù)級增長，而體積卻越來越小。

為什么晶體管會被集成電路取代呢？簡單來說，需求推動了技術(shù)進(jìn)步。1960年代，航天、軍工、計算機這些領(lǐng)域需要更強大、更小型化的電子系統(tǒng)，單個晶體管拼湊的電路已經(jīng)跟不上節(jié)奏了。集成電路的出現(xiàn)完美解決了這個問題。到了1971年，英特爾推出第一款微處理器4004，里面有2300個晶體管集成在一塊芯片上，這標(biāo)志著電子產(chǎn)業(yè)正式進(jìn)入“芯片時代”。

所以，這段故事的核心就是技術(shù)迭代和實用性的博弈。鍺輸給了硅，是因為硅更穩(wěn)定、更便宜；晶體管讓位給集成電路，是因為后者能滿足人類對計算能力和小型化的更高追求。1950 年代中期是從鍺到硅的關(guān)鍵變化。事實證明，半導(dǎo)體材料的這種轉(zhuǎn)變對于該設(shè)備作為當(dāng)今幾乎所有集成電路的基本構(gòu)建塊的光明未來至關(guān)重要。因為鍺，簡單地說，根本無法勝任這項任務(wù)。這一路走來，每一步都是科學(xué)家和工程師們在材料、工藝和設(shè)計上的突破，才有了今天我們手里的智能手機和電腦。

后硅時代，“硅+新材料”的混合模式，開啟集成電路產(chǎn)業(yè)新篇章

硅之后的繼任者，這個問題很有前瞻性！目前來看，硅依然是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的主宰，集成電路的核心材料仍然離不開它。不過，隨著技術(shù)逼近物理極限，科學(xué)家和工程師們已經(jīng)在探索“后硅時代”的可能性。接下來，讓我們給你講講硅的現(xiàn)狀和可能的繼任者，聊聊這個故事的下一章。

硅的極限在哪里？

硅的統(tǒng)治地位已經(jīng)持續(xù)了幾十年，尤其是在摩爾定律（Moore’s Law）的推動下，晶體管數(shù)量每18-24個月翻倍，芯片性能不斷提升。但現(xiàn)在，硅基技術(shù)開始遇到瓶頸。晶體管的尺寸已經(jīng)縮小到幾納米級別（比如2025年的主流工藝可能是2納米甚至更?。?，這么小的尺度下，量子效應(yīng)和熱效應(yīng)變得難以忽視。電子會“漏”出去，功耗和散熱問題也越來越嚴(yán)重。簡單來說，硅的物理特性限制了它繼續(xù)微縮的空間，成本和復(fù)雜度也在飆升。所以，大家開始尋找替代者。

那么可能的繼任者有哪些呢？目前有幾個候選材料和方向在半導(dǎo)體領(lǐng)域嶄露頭角，雖然它們還沒完全取代硅，但已經(jīng)展現(xiàn)出潛力：

碳基材料：石墨烯和碳納米管石墨烯是單層碳原子構(gòu)成的材料，導(dǎo)電性極強，電子遷移率比硅高得多，幾乎是“夢幻材料”。2004年它被發(fā)現(xiàn)后，引發(fā)了無數(shù)研究熱情。碳納米管則是石墨烯卷成的管狀結(jié)構(gòu)，也有類似的優(yōu)勢。它們的潛力在于，能做出比硅更小、更快的晶體管，同時散熱更好。但問題在于，石墨烯缺乏自然的“帶隙”（bandgap），這意味著它很難像硅一樣開關(guān)電流，做成邏輯電路有難度。科學(xué)家們正在嘗試通過化學(xué)改性或與其他材料結(jié)合來解決這個問題。如果成功，石墨烯或碳納米管可能在未來十年內(nèi)嶄露頭角，尤其是在高性能計算領(lǐng)域。

化合物半導(dǎo)體：砷化鎵（GaAs）和氮化鎵（GaN）砷化鎵比硅有更高的電子遷移率，早就用在高速器件上，比如射頻芯片和光電子設(shè)備（激光器、LED）。氮化鎵則因耐高溫和高電壓特性，在功率電子領(lǐng)域（如電動車、充電器）越來越受歡迎。不過，這些材料的制造成本比硅高，工藝也不如硅成熟，所以它們更多是“補位選手”，在特定領(lǐng)域挑戰(zhàn)硅，而不是全面取代。

二維材料：過渡金屬二硫化物（TMDs）像二硫化鉬（MoS?）這樣的二維材料，是繼石墨烯之后的新寵。它們比硅薄得多，有天然帶隙，適合做超小型晶體管。研究表明，這種材料在1納米以下的尺度仍然能保持性能，非常適合未來的極限微縮芯片。挑戰(zhàn)在于，生產(chǎn)工藝還不成熟，大規(guī)模量產(chǎn)的難度很大。

量子計算和光子芯片除了材料替換，還有人跳出傳統(tǒng)晶體管的框架，探索全新技術(shù)。比如量子計算用量子比特（qubits）取代傳統(tǒng)晶體管，谷歌和IBM在這方面已經(jīng)取得進(jìn)展；光子芯片則用光信號代替電信號，傳輸速度更快，能耗更低。這些技術(shù)如果成熟，可能直接顛覆硅基體系，而不是簡單替換材料。

短期內(nèi)（未來10-20年），硅不會輕易退位。產(chǎn)業(yè)已經(jīng)圍繞硅建立了完整的生態(tài)鏈，從晶圓廠到設(shè)計工具，投資巨大。下一階段可能是“硅+新材料”的混合模式，比如在硅基芯片上集成砷化鎵或二維材料，逐步過渡。長期來看，石墨烯和二維材料可能是最有希望的繼任者，因為它們能延續(xù)微縮趨勢，同時提升性能。但如果量子計算或光子技術(shù)率先突破，那就可能是另一場革命，不僅僅是材料的更替，而是計算方式的徹底改變。

2025年的今天，硅依然占據(jù)主導(dǎo)，但新材料的研發(fā)如火如荼。比如，臺積電和英特爾都在實驗2納米以下的工藝，嘗試引入新材料；IBM已經(jīng)展示了基于碳納米管的晶體管原型；我國也在氮化鎵和二維材料上有不少突破。可以說，后硅時代的種子已經(jīng)種下，但誰能接棒，還得看技術(shù)成熟度和市場接受度。

所以，硅的繼任者還沒完全浮出水面，但這場接力賽已經(jīng)開始了。