下一代半導體是什麼?從支撐起電腦革命的第一代矽基半導體,到開啟光電子與新能源時代的後續幾代材料,每一次世代交替都在通訊、能源、運算等關鍵領域掀起跨越式變革浪潮。深入解析前四代半導體材料的特性、應用場景及代際更替背後的邏輯,不僅能讓我們清楚掌握半導體發展的歷史脈絡,更能為推測第五代半導體的可能方向提供關鍵依據。01. 從第一代到第四代:半導體材料的迭代之路第一代半導體材料是人類最早規模化應用的半導體類型,主要是矽(Si)與鍺(Ge)兩種元素半導體。其中,矽材料憑藉1.12eV的禁帶寬度、地殼儲量豐富(約26.4%)及成熟的製造流程優勢,在積體電路、電腦、通訊設備等現代電子工業領域確立核心地位。第二代半導體材料是20世紀八、九十年代伴隨行動通訊和光纖通訊發展而興起的化合物半導體材料,以砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)為主要代表。這類材料因具有高頻、高速及高功率特性,適用於製造微波元件、毫米波元件及發光電子元件,逐步突破傳統矽基材料的性能限制。其禁帶寬度介於第一代與第三代半導體之間,主要用於衛星通訊、行動通訊、光通訊等領域,光通訊系統中的半導體雷射及5G毫米波系統均依賴此材料。自二十一世紀以來,以氮化鎵(GaN)和碳化矽(SiC)為代表的第三代半導體材料開始嶄露頭角。第三代半導體材料具有更寬的禁帶寬度、更高的導熱率、更高的抗輻射能力、更大的電子飽和漂移速率等特性,更適合製作高溫、高頻、抗輻射及高功率電子裝置,在光電子和微電子領域具有重要的應用價值。市場火熱的5G基地台、新能源車和快充等都是第三代半導體的重要應用領域。第四代半導體是超禁帶半導體,主要有兩個方向,一類是以氧化鎵為代表的超寬禁帶半導體,另一類是銻化物半導體窄禁帶半導體。那麼第五代半導體會是啥?02. 拓樸絕緣體:零能耗電子裝置的希望拓樸絕緣體是一種具有特殊電子結構的新型量子材料,其最顯著的特性是表面或邊界具有導電態,而內部則呈現絕緣態,這種獨特的「體相絕緣-表面導電」量子特性使其被視為下一代超低功耗晶片的核心材料。從物理機制來看,拓樸絕緣體的表面導電態是由材料的拓樸性質決定的,具有拓樸保護特性,即不易受到材料表面缺陷、雜質等因素的影響,電子在表面傳輸時幾乎沒有散射,能夠實現無耗散傳輸,這意味著基於拓樸絕緣體製造的電子散射元件可以大幅降低能量損耗,解決傳統半導體造成的熱半導體問題。此外,拓樸絕緣體的表面電子還具有自旋-動量鎖定特性,即電子的自旋方向與動量方向存在固定的對應關係,此特性為自旋電子裝置的研發提供了新的思路,有望實現更高密度、更快速度的資訊儲存與處理。自從拓樸絕緣體概念提出以來,科學研究人員在材料製備、性能表徵和裝置研發等方面取得了一系列重要突破。在材料製備方面,已成功製備出多種類型的拓樸絕緣體材料,包括碲化鉍(Bi₂Te₃)、硒化鉍(Bi₂Se₃)、銻化鉍(BiSb)等三維拓樸體,以及一些二維絕緣絕緣體材料。透過優化製備工藝,如分子束外延、化學氣相沉積等,材料的晶體品質和表面平整度不斷提升,為後續裝置研發奠定了良好基礎。在性能表徵方面,利用角分辨光電子能譜(ARPES)等先進表徵技術,科研人員清晰地觀測到了拓撲絕緣體表面的狄拉克錐電子結構,證實了其表面導電態的存在,同時對電子傳輸特性、自旋特性等進行了深入研究。在裝置研發方面,已初步發展出基於拓樸絕緣體的場效電晶體、自旋過濾器、量子位元等原型元件。例如,基於拓樸絕緣體的場效電晶體展現出了極低的漏電電流和良好的開關特性,在低功耗邏輯電路領域具有潛在應用;拓樸絕緣體自旋過濾器則能夠實現對電子自旋的有效調控,為自旋電子裝置的實用化邁出了重要一步。不過,拓樸絕緣體的研發仍面臨一些挑戰,如如何進一步提高材料的載子遷移率、降低缺陷密度,以及如何實現裝置的規模化製備等,這些問題需要科研人員在未來的研究中持續解決。03. 二維材料:摩爾定律的破局關鍵二維材料是指在一個維度上具有奈米尺度或原子尺度厚度,而在另外兩個維度上具有宏觀尺度的片狀材料,典型代表包括石墨烯、二硫化鉬(MoS₂)等。原子級的厚度賦予了二維材料獨特的電學、光學和機械性能。面對摩爾定律逼近物理極限的全球性挑戰,具有單一原子層厚度的二維半導體是目前國際公認的破局關鍵,科學家一直在探索如何將二維半導體材料應用於積體電路中。實際上,二維材料已被加入到IMEC邏輯縮放路線圖中。十多年來,國際學術界與產業界已掌握晶圓級二維材料生長技術,成功製造出擁有數百個原子長度、若干個原子厚度的高性能基礎元件。但先前國際上最高的二維半導體數位電路整合度僅115個晶體管,由奧地利維也納工業大學團隊在2017年實現。核心難題在於,要將這些原子級精密元件組裝成完整的積體電路系統,依舊受制於製程精度與規模勻性的協同良率控制。今年早些時候,復旦大學整合晶片與系統全國重點實驗室周鵬、包文中聯合團隊成功研發全球首款基於二維半導體材料的32位元RISC-V架構微處理器「無極(WUJI)」。此成果突破二維半導體電子學工程化瓶頸,首次實現5900個電晶體的整合度,是由復旦團隊完成、具有自主智慧財產權的國產技術,使中國在新一代晶片材料研發中佔據先發優勢,為推動電子與運算技術進入新紀元提供有力支撐。04. 碳奈米管:新型通道材料在半導體裝置中,通道是電子或電洞傳輸的關鍵區域,通道材料的性能直接決定了裝置的開關速度、驅動電流、功耗等關鍵指標。隨著半導體製程不斷逼近物理極限,傳統矽基通道材料的性能提升空間逐漸受限,因此,研發新型通道材料成為提升半導體元件性能的關鍵突破點,也是第五代半導體研究的重要方向之一,其中碳奈米管(CNTs)是最具代表性的新型通道材料。早在2007年,碳基納電子學就被提出可能成為下一代電子技術。主要原因如下:(1)碳與矽為同一主族元素,具有許多相似的化學性質;(2)CNTs長度為數百奈米,裝置中電子輸運呈現完美的彈道結構,能量的利用率高;(3)超薄的導電通道,載流子的遷移率高,在小於10nm技術下,使得超優異導度節點的異導率。然而,製備奈米碳管積體電路的前提是實現CNTs具有超高的半導體純度、適當的密度、排布方向一致等條件,製造出符合要求的奈米碳管材料,是碳管電子學所面臨的巨大挑戰。碳奈米電晶體是以碳奈米管為核心通道導電材料製作的晶體管,其性能已突破傳統矽基電晶體限制。2016年,美國威斯康辛大學團隊研發出1吋碳奈米晶體管,透過聚合物取代金屬奈米管技術,將金屬雜質含量降至0.01%以下,解決了導電性能瓶頸。2025年最新進展中,北京大學團隊開發出90nm整合碳奈米管氫氣感測器,MIT則利用14,000多個碳奈米管製成16位元微處理器。此類電晶體在抗輻照積體電路等領域展現應用潛力,但仍面臨製造製程優化等挑戰。05. 量子點與光子晶體量子點是一種奈米等級的半導體,透過對這種奈米半導體材料施加一定的電場或光壓,它們便會發出特定頻率的光,而發出的光的頻率會隨著這種半導體的尺寸的改變而變化,因而透過調節這種奈米半導體的尺寸就可以控制其發出的光的顏色,由於這種奈米半導體擁有限制奈米半導體hole)的特性,此特性類似自然界中的原子或分子,因而被稱為量子點。光子晶體是指具有光子帶隙(PhotonicBand-Gap,簡稱PBG)特性的人造周期性電介質結構,有時也稱為PBG光子晶體結構。所謂的光子帶隙是指某一頻率範圍的波不能在此周期性結構中傳播,即這種結構本身存在「禁帶」,可用來控制光子的發射、傳輸和反射。光子晶體體積非常小,在新的奈米技術中、光計算機、晶片等領域有廣泛的應用前景。量子點與光子晶體的結合,能夠實現光-電-熱的多功能整合,在光電子裝置領域具有廣泛的應用前景。06. 生物半導體生物半導體是一種基於生物分子(如DNA、蛋白質)的新型半導體材料,其核心特徵是能夠將生物系統與電子電路相容,實現生物訊號與電子訊號的高效轉換和互動作用。例如,蛋白質具有獨特的分子結構和電特性,可用於製備生物半導體裝置,如蛋白質儲存裝置,利用蛋白質分子的電荷儲存特性實現資訊的存儲,具有高密度、低功耗、生物相容性好等優點。在研發進展方面,生物半導體目前處於實驗室研究的初期階段,但已取得了一些引人注目的成果。科研人員透過基因工程、分子自組裝等技術,成功實現了DNA、蛋白質等生物分子的有序排列和功能化修飾,製備出了具有半導體特性的生物薄膜和奈米結構。基於這些生物材料的原型元件,如生物場效電晶體、生物感測器、蛋白質記憶體等已相繼被研發出來,初步驗證了生物半導體在生物醫學檢測、wearable電子設備、新一代資訊儲存等領域的應用潛力。然而,生物半導體的發展仍面臨諸多挑戰,如生物分子的穩定性較差,容易受到外在環境(如溫度、濕度、pH值)的影響,如何提高生物半導體材料和裝置的穩定性和可靠性;生物分子的電學性能調控難度較大,如何實現對其電學特性的精準控制;以及生物分子的電學性能調控難度較大,如何實現對其電學特性的精準控制;以及生物化半導體元件的製備等問題07. 總結第五代半導體的發展正處於探索與起步階段,拓樸絕緣體、二維材料、新型通道材料、量子點與光子晶體、生物半導體等候選材料各具特色,都有望在未來的科技發展中扮演重要角色。雖然目前這些材料仍面臨許多技術挑戰,但隨著研發的不斷深入和技術的持續突破,第五代半導體必將為人類科技帶來新的變革,推動通訊、能源、運算、生物醫學等領域實現跨越式發展。 (半導體產業縱橫)