楊德仁，中國科學(xué)院院士，浙江大學(xué)硅材料國家重點實驗室主任，長期從事半導(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，吹響了人類進入“硅時代”的號角。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。美國硅谷的名字就是源于硅元素所推動形成的新興產(chǎn)業(yè)。硅的結(jié)構(gòu)特殊，一個硅原子周圍有四個其他硅原子，形成立方金剛石結(jié)構(gòu)，賦予其諸多獨特性能和應(yīng)用。硅可用于鋼和鋁合金的添加劑，鋰離子電池的負極材料，以及光伏領(lǐng)域的太陽能電池基礎(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，沒有硅就沒有集成電路，沒有集成電路就沒有信息社會，所以硅是現(xiàn)代信息社會的基礎(chǔ)和核心材料。硅之所以成為首選，原因有三個方面。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10個9以上，因此能控制材料里的電子輸運性質(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26%，制備成本低廉，工藝成熟，能生長大直徑、低缺陷的晶體，且可以做穩(wěn)定的氧化層，安全無毒。這些優(yōu)勢使硅在過去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的硅材料，就可以用于集成電路的制作呢？硅材料是一個典型的點石成金材料，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%，但無法直接用于集成電路。用于集成電路需進一步提純至10個9以上的半導(dǎo)體級多晶硅，即每100億個硅原子中僅含1個其他原子。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。該工藝較為簡單且能耗低，但硅烷易燃易爆，氣體處理復(fù)雜，全球產(chǎn)量僅占10%左右。

近年來，我國多晶硅產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，特別是2005年后，受太陽能光伏產(chǎn)業(yè)推動，成為全球發(fā)展最快的國家。2023年，我國電子級多晶硅產(chǎn)量約6000噸，占全球15%；光伏級多晶硅產(chǎn)量143萬噸，占全球89%。全球上規(guī)模的多晶硅企業(yè)中，中國有9家；國際高純多晶硅企業(yè)中，中國有19家。此外，兩家硅烷法制備多晶硅的企業(yè)均在中國。我國在光伏級高純多晶硅產(chǎn)業(yè)上領(lǐng)先全球，電子級仍有待追趕。

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)過程。比如，高純多晶硅轉(zhuǎn)化為晶體可以通過直拉法實現(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過程。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。

當我們獲得硅晶體材料后，需進行加工，因為一個晶體棒無法直接使用。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個薄片（切片）。由于切出來的硅片表面粗糙不平，需用碾磨機磨平并去除損傷層（磨片），最后進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，相當于北京至杭州1100公里距離內(nèi)的高低起伏不超過一厘米。整個過程中，還需在各道工序間嚴格清洗硅片或晶錠，最后得到一個超凈的硅片。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現(xiàn)完全國產(chǎn)化，8英寸硅片國內(nèi)市場占有率約40%～50%，12英寸硅片約占15%～20%，且28納米節(jié)點硅片已通過驗證。在基礎(chǔ)研究方面，浙江大學(xué)的科研人員在國際上提出了摻氮直拉硅單晶概念，利用氮原子調(diào)控抑制納米級集成電路的微曲線問題，該方案已被全球工業(yè)界廣泛采納，應(yīng)用于90納米節(jié)點以下集成電路，成為中國的一個創(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70億個晶體管。世界集成電路的制程工藝水平已經(jīng)由微米級、亞微米級、深亞微米級進入到納米級階段，這對包括光刻在內(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，有沒有新的硅材料能滿足納米級集成電路的制備呢？

一個指甲大小的集成電路能集成10億個元器件，目前技術(shù)已進展至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個硅原子即達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300毫米（12英寸）；二是越做越小，需探索納米級硅材料，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，特別當尺寸小于4.9納米（硅的激子玻爾半徑）時，會展現(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。通過調(diào)控納米硅顆粒直徑，可實現(xiàn)從藍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。今后還會把納米線變成納米片，做成圍柵結(jié)構(gòu)。我國科學(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納米硅管，引導(dǎo)了國際上納米硅管的制備。同時，在納米硅圍柵器件領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了突破，如北京大學(xué)團隊在硅納米線GAA彈道運輸研究中，首次實驗驗證了彈道輸運效率與自熱效應(yīng)，也首次提取了硅納米線圍柵器件的漲落源，并通過優(yōu)化設(shè)計大幅提升了器件的模擬與射頻性能。

當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，當特征尺寸到了1納米以后，將會遇到電信號延遲、帶寬受限和功耗密度的不斷上升的問題。如何超越摩爾定律？

一種通過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，而光電子則在光與電之間進行轉(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)勢包括帶寬增加10倍以上、功耗降低10倍以上、無電磁干擾、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、自動駕駛、傳感、高性能計算和人工智能等領(lǐng)域的重要應(yīng)用場景，成為集成電路發(fā)展的重要方向。西方發(fā)達國家，如美國、日本、德國的大型企業(yè)早在20年前就布局硅基光電子，進行了長期投入和研發(fā)。比如，美國成立了一個專門的12英寸、300毫米的硅基光電子研究項目，大力推動硅基光電子，這已經(jīng)成為一個重要產(chǎn)業(yè)爆發(fā)的前夜。預(yù)計今年，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、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。因為硅材料是間接半導(dǎo)體材料，發(fā)光強度、發(fā)光效率極低，可以說幾乎是不發(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，因為既要保留硅基集成電路的功能，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)實現(xiàn)發(fā)光，成為國際難題和研究前沿。

科學(xué)家們嘗試了各種方法，如多孔硅、硅納米晶、硅有機發(fā)光等八九種路徑。其中，硅基鍵合是一項重要技術(shù)，它先在另外的一個工藝線上把激光器做好，主要的是磷化銦激光器，再通過鍵合將其與集成電路結(jié)合，讓光進入電路，稱為混合激光器。這項技術(shù)由美國英特爾公司和有關(guān)大學(xué)合作發(fā)明，已實現(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，存在對準難、密度受限等問題，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)團隊2007年就在硅基上通過氧化鋅實現(xiàn)了室溫電泵隨機激射，這是國際首次。北京郵電大學(xué)團隊在硅基銦砷和鎵砷量子點激光器上取得世界先進水平成果，2023年首次實現(xiàn)SOI（絕緣層上硅）級的電泵激射，功率超60毫瓦，室溫外推壽命超2萬小時，成為國際硅基量子點領(lǐng)域的一大亮點。

硅材料是集成電路的基礎(chǔ)材料，它支撐了整個集成電路的發(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兩個賽道上都需要硅基新材料?？梢钥吹剑杌募{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，都促進了集成電路向新一代的器件發(fā)展，促進了集成電路進一步的深化發(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。

來源：內(nèi)容轉(zhuǎn)自學(xué)習(xí)時報，作者：楊德仁 ，謝謝。