黑科技？激光使电子设备不再依赖半导体材料！

2016-11-10 10:27:00 来源: 互联网

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据外媒报道，美国加州大学圣地亚哥分校科学家开发了一种新型微电子设备，未来PC中由半导体材料制造的处理器可能被取而代之。

加州大学圣地亚哥分校新型电子设备原理图

这一新技术还处于早期的开发阶段，但它牵涉一些有趣的研究和颇具科幻色彩的概念。

加州大学圣地亚哥分校工程师开发了一种由光控制的微电子设备，其中包含由金纳米管构成的超颖表面。受到激光照射后，超颖表面能产生高强度电场。

这种不采用半导体材料的新型微电子设备，有朝一日将解决现代微处理器所面临的一个难题。处理器依靠电子迁移正常运行，问题是，这些电子会不断与原子碰撞，其中许多电子可能迁移不到它们的目的地——在处理器运行过程中，许多电子损耗了。

这种新型微电子设备通过“模仿”老式真空管——当然是在微尺度上，尝试解决这一问题。设备中的蘑菇形状纳米管，在硅晶圆上形成超颖表面，两者用二氧化硅层隔开。当施加低直流电压、照射低能量红外激光时，这一结构就能够产生高强度电场，使电子能“自由”迁移。

这种试验性技术能一次性使更多电子受到控制，受到更少干扰，这意味着采用这一技术制造的处理器性能将超过当前基于半导体材料的处理器。这一技术被应用在智能手机中还需要相当长一段时间，但它是解决现代电子设备面临的一个几乎无解问题的有趣概念和途径。

下一代半导体材料的可能选择

老实说，我不是否定美国科学家的创新能力，但就目前来说，这种新技术想实现是比较难的，为了延续摩尔定律，我们必须要追求下一代的半导体材料。我们来看一下现在有哪些选择。

传统的半导体最常使用的原料就是硅。包括今天知名的硅谷，最初得此名，就是因为上个世纪70，80时代，当地集中了一批半导体公司。硅，这种材料按照现有的工艺，在设计上会本身就带有限制，被看作是半导体发展的核心阻碍之一。换句话说，开发新材料，以及新的制作工艺成为了行业竞争的核心。

IBM在去年中宣布，未来5年，将投入30亿美元进行半导体的开发，其中有一个重要的内容就是寻求硅以外的半导体材料，比如石墨烯，和碳纳米管。特别是碳纳米管，被看作是取代硅的热门候选人。早在1997年，IBM和荷兰的Delft大学就开发过首个碳纳米管的晶体管。到2013年，斯坦福的实验室里，还通过碳纳米管制作了电脑。硅，在发展更小半导体组成晶体管的最大阻力是，体积越小，消耗的能量就越大，产热极大。通过碳纳米管组成的晶体管，同等条件下，只需要1／3的能源。同时也被证明是可以大规模生产的，但真正走出实验室可能还要10到15年的时间。

另一个被看好的材料就是锗，1947年诞生的第一个晶体管就是用锗制造。但是当时因为工艺的问题，硅成为了更加主流的半导体生产材料。而随着摩尔定律逐渐开始实效，技术开发人员再次把目光放在了锗的身上。过去技术上，存在的锗生产的晶体管，难以集成的问题开始被解决。全年年底，在旧金山举行的国际电子产品大会上，普渡大学的研究人员还展现了用锗制造的电路，并认为只要几年时间就可以进入大规模生产。斯坦福的教授KrishnaSaraswat曾经发表论文，认为同等条件下，锗为原料的晶体管是硅为原料的晶体管效能的两到三倍。而且因为是单一材料，对于整个行业，可能更容易普及。

初次之外，钻石也进入了一些科学家的视野。这种被称作“女人最好的朋友”的美丽石头，因为具有与众不同的导电性，而被看作可以改变电子产品发展的重要材料。我们之前说过，硅，在半导体发展上，处理散热和耗能是发展的大的阻碍。而钻石具有极高的耐热性，而散热能力更是硅的22倍，这成了它最有竞争里的闪光点。同时在技术表现上，也有很多优势，当然不可忽视的是，成本可能是最大的挑战。当然钻石已经不需要依靠天然的生成，而在实验室里进行培养，但是依然不是廉价品。不过已经有像AKHANSemiconductor这样的新兴公司投入这类技术的开发。

当然也不是所有人都在抛弃硅，技术上的革新，也是开发人员寻求突破的方向之一。比如说大公司IBM的芯片开发计划的内容，除了包含了对新材料的探索，也在探索如何挑战常用的工艺，降低耗能，提高效率。一个就是使用单层原子的硅片，这可以大大减少半导体材料的厚度。不过问题在于其稳定性，德克萨斯大学奥斯丁分校的研究人员现在使用镀银和铝的方式来防止单层原子硅片和空气接触，在进入大规模生产前可能还要面对很多挑战。

另外在实际应用上，为了提高效率，开始有人尝试铁电技术的使用，生产出的记忆存储可以突显低耗能，高效率等特点。相比于传统半导体存储器的动态随机存取存储器（DRAM），期待会有表现上会有大的飞跃。如德州仪器这样的大型公司从2010年就开始了这方面的开发。另外一个创新企业Alacrity，它的创始人，耶鲁大学教授TP Ma多年来致力于铁电应用的研究，并具有这方面的专利。他告诉笔者，近年来材料技术上的突破，让自己的研究成果能够应用到大规模生产上变成可能。更因为它们将还是依赖于硅，而已成本上比其他的替代材料，来得要便宜。他们会在今年5月，生产出第一批的模型。并期待用出让专利权的方式，推进他们技术在行业中的发展。

半导体行业面对的新挑战，也带来了整个行业创新企业的春天。很长一段时间，半导体行业没有出现让人兴奋的新名字。但是近几年，除了出现刚才提到的Alacrity，AKHAN Semiconductor，还涌现了很多其他半导体行业的创新企业，比如Brain Corp., Adesto Technologies等，他们也被看作是带来行业转机的希望，很多大型科技公司都是他们的投资人。这个行业创业气息改变还有一个证据，就是有了专门培养半导体创新企业的孵化器，如SiliconCatalyst。让很长时间，被创新忘记的半导体行业，再次迸发出革新的声音。当然，到底什么会成为未来行业的主流，还不得而知，但是成本，效率和操作性，三大因素，一定还将是决定性的。