NO.1318 如何突破芯片的理论极限?


你好,这里是罗胖精选。

今天的内容来自我们的年度报告,孙亚飞老师的《材料科学前沿报告》。

这一讲讲的是我们中国人都很关心的芯片问题。我们都知道,芯片技术的突破,很大程度上取决于制造它的高端材料。目前我们芯片是用单晶硅制造的,那下一代芯片材料是什么?这里面又蕴含了什么样的新机会呢?

接下来,我们听听孙亚飞老师的报告。

你好,欢迎来到《材料科学前沿报告》,我是孙亚飞。

2020年,关于芯片的话题绝对是国际热点,你肯定听说了很多关于它的新闻。我也看到了很多文章都在分析,为什么芯片制造难?中国的芯片技术该怎么突破?

这些问题的答案,当然包括很多因素。我们《材料科学前沿报告》关注的,还是芯片的材料。

目前,芯片所用的主流材料叫单晶硅。但是,单晶硅材料正面临一个关键节点,如果新的芯片材料还不能研发出来,人类目前依托于单晶硅研发的芯片技术会面临全面的停滞。

谁会是下一代的芯片材料呢?

2020年初,包括台积电在内的一些芯片行业翘楚,都在公开场合谈到了这个问题。这些企业经常提起的一种材料,就是二硫化钼。在阿里达摩院发布的“2020年十大科技趋势”里,也提到了二硫化钼芯片材料。

那到底是什么原因,让二硫化钼成了宠儿呢?这一讲,我们就来说说最有可能成为下一代芯片材料的,二维二硫化钼材料。

先来说说这是一种什么样的材料。

你可能注意到了,刚刚我在“二硫化钼”这个名字前面,又加了两个字,“二维”,它是一种二维材料。

所谓二维材料,就是可以忽略材料的厚度,只考虑三维空间里的另外两维。这在材料学领域里,是非常特殊的一类材料,它们常常有一些三维材料不具备的特性。

提到二维材料,很多人首先想到的都是石墨烯,它的厚度就只有一层原子,不可能再薄了。二硫化钼没有石墨烯那么薄,它有三层原子:上下两层都是硫原子,中间一层是钼原子。三层原子这个厚度也已经接近极限了,所以它也可以被看成是二维材料。

这个三层结构非常重要,可以说是二硫化钼能从各种芯片材料中脱颖而出的基础。

比如拿它和石墨烯对比来看,石墨烯也是未来芯片的候选材料。但单层石墨烯很难稳定存在,它们就像是一片片芝士一样,如果叠在一起,很容易就粘起来变成一整块奶酪。

二硫化钼就不一样了。

每一片二硫化钼晶体和其他晶体片之间,吸引力都比较弱,所以理论上来说,二硫化钼天然就可以呈现三层原子形成的二维结构。如果用它作为加工材料,就像一片片夹心饼干一样,既不用担心饼干之间会互相粘合,也不用担心夹心会脱落。

我查了最近的一些发展报告,发现和石墨烯相比,二硫化钼芯片虽然目前还远到不了商用阶段,但是它用于芯片的科学障碍,确实已经所剩不多了。

二硫化钼的性能比石墨烯更好,并不是它能成为下一代芯片材料的理由。毕竟石墨烯很难稳定存在,距离可以应用实在太遥远了,二硫化钼真正要战胜的对手,是我们目前使用的芯片材料,单晶硅。

和单晶硅相比,二硫化钼的优势在哪儿呢?咱们先来说最重要的一个:二硫化钼能让芯片性能继续提高。

你可能听说过,芯片行业有一个“摩尔定律”:每18个月,芯片性能就会翻番。摩尔定律维持了近半个世纪,一直非常准确。但是在最近十年来,这个定律实质上已经失效了。

被什么限制了呢?就是芯片的材料。

简单来说,要想让芯片的性能提高,就是要在同样的空间里摆下更多的电路。也就是说,要把半导体电路做得尽可能更细一些。眼下,这个电路的尺寸已经做到5纳米,正在向3纳米的规格迈进。

你可能不知道这么小的尺寸意味着什么。这意味着,如果不找到新的材料替换单晶硅,那继续把电路做细做小,几乎就是不可能完成的任务。

这是为什么呢?电子遇到单晶硅的时候,通过程序控制,我们可以选择让电子通过或者不通过,这是单晶硅能做成芯片的基础。

但当把单晶硅的尺寸做得很小的时候,会出现一个现象,叫量子隧穿。通俗来说,就是电子学会了“穿墙术”,可以不受控制地穿过单晶硅。这就没法作为芯片使用了。

可以说,如今的芯片已经把单晶硅的潜力压榨干了。在电路尺寸继续向3纳米缩小的过程里,研发者屡屡失败,摩尔定律就是在这里失效的。

所以,不管替代单晶硅的新材料是什么,它起码得能抵挡量子隧穿效应,别让电子随便穿。二硫化钼晶体就能做到这点。

我们前面说了,二硫化钼晶体是一种层状结构。电子很难突破它层与层之间的间隙,只能被限制在层内运动。

所以我们可以把每一层晶体的厚度,看成是最小的电路尺寸。经过计算,单层二硫化钼的厚度只有0.65纳米,比我们的目标尺寸3纳米小太多了。

这就是二硫化钼最重要的优势,它有潜力让芯片的性能继续按照摩尔定律提高。

除了尺寸,单晶硅技术的另一个困难在于,芯片材料本身有苛刻的纯度要求。作为芯片,如果单晶硅中有其他原子,那么在运算的时候,就有可能成为一个bug。所以,纯度问题,是芯片材料不能妥协的问题。

从晶体结构来说,单晶硅是原子晶体,每一个原子都要和周围的四个原子,通过化学键连接起来。但这样的话,晶体表面的那些硅原子就不可能满足要求。如果你对晶体结构不了解,这句话你可能很难理解,我打个比方吧。

围棋里面讲究“金角银边草肚皮”,要围住在棋盘中间的棋子,你需要四个棋子才能围住,要围住在棋盘边线上的棋子呢,需要三个,而在棋盘角上的棋子,只需要两个就能围住。

所以,在单晶硅里,边缘的硅原子做不到和四个硅原子相连,只能留出空闲的化学键,被称为“悬挂键(dangling-bond)”。悬挂键可以和其他一些原子结合,一结合,单晶硅的纯度就会降低,芯片运算出错的概率就会增加。

而芯片电路尺寸越小,露出来的硅原子就越多,悬挂键也就越多。所以即便不考虑量子隧穿效应,要想把单晶硅做成更小的电路,化学性质也是限制因素。

在这方面,二硫化钼也是有优势的,它没有悬挂键,不容易引入杂质。二硫化钼的化学键只在三层原子之间,边缘没有,其他原子又很难插入三层的内部。这是二硫化钼用作芯片材料的又一个优势。

二硫化钼还有一个优势是,它也许能够绕过目前的技术瓶颈,直接把芯片制造出来。

按单晶硅芯片的制造方法,我们需要用到光刻机,利用激光把电路雕刻出来。所以,要想让芯片电路变得更精细,前提条件是要掌握更精密的光刻技术。现在芯片技术很难突破,也有一部分原因就是光刻机的精度很难提高。

但生产二硫化钼芯片,也许我们可以不通过光刻技术,直接获得。根据2020年的一些报道,二硫化钼晶体大多是通过化学沉积法完成。简单说就是用一些原料,缓慢反应产生二硫化钼之后,直接铺在基底材料上。如果这套技术完全成熟,我们就可以绕过光刻技术的瓶颈。

从这三个方面不难看到,二硫化钼,确实有替代单晶硅的潜力。

优势这么明显,是不是二硫化钼马上就可以作为芯片材料投入应用了呢?

还没有那么快。二硫化钼芯片,要进入实用阶段,必须要解决的问题就是如何生产加工。

到目前为止,批量生产出二硫化钼晶体管依然不现实。我们前面说,二硫化钼是一种二维材料,而二维材料的批量化生产,对现代技术来说还是一个全新的课题。也正是因为这一点,国际芯片巨头虽然普遍看好二硫化钼,但是都没有实际投资到相关产业。

但在我看来,这样一种性能突出的二维材料,除了能用在芯片上,还可能会在OLED显示器、太阳能电池以及一些军事用途上发挥作用。所以,科学界对它的研究并不会停滞,值得你继续关注。

芯片是中国制造业升级必须要面对的硬骨头。在单晶硅方面,中国的落后局面,相信你早已熟悉。同样,对于下一代芯片材料的研究,中国仍然还没有摆脱被“卡脖子”的风险。

以二硫化钼为例,中国的科研成果丰富,但重要的节点工作,几乎都在欧美国家发生,这也说明了芯片领域竞争的激烈与困难。我们还是需要正视自己在高端制造业方面与先进国家的差距。

材料学的前沿进展不只包括发现新材料,还包括发现材料的新结构。下一讲,我们就来说一种在结构设计上有新突破的前沿材料,超疏水材料。我们下一讲见。