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來源：內容轉自學習時報，作者：楊德仁 ，謝謝。
楊德仁，中國科學院院士，浙江大學矽材料國家重點實驗室主任，長期從事半導體矽材料研究，在矽材料的基礎研究上取得重大成果，發明了微量摻鍺矽晶體生長系列技術，系統解決了相關矽晶體的基礎科學問題，研究了納米矽的結構、效能，成功製備出納米矽管等新型奈米半導體材料。
1958年，傑克·基爾比發明了第一塊積體電路，吹響了人類進入“矽時代”的號角。由於矽材料具有一定的半導體電學特性和物理穩定性，因此成為製作積體電路襯底支撐的關鍵性固態材料。目前，全球95%以上的積體電路製作在矽片上。矽最早由瑞典科學家瓊斯·雅可比·貝採尼烏斯發現，他透過加熱石英砂、碳和鐵製得。該元素命名為silicon，源自拉丁文silex（燧石）。矽在地殼中含量高達26%，僅次於氧，居第二位。然而，自然界中矽不以單質形式存在，而是以矽酸鹽、水晶、石英砂等化合物存在。美國矽谷的名字就是源於矽元素所推動形成的新興產業。矽的結構特殊，一個矽原子周圍有四個其他矽原子，形成立方金剛石結構，賦予其諸多獨特效能和應用。矽可用於鋼和鋁合金的新增劑，鋰離子電池的負極材料，以及光伏領域的太陽能電池基礎材料。最重要的是，矽是積體電路的關鍵材料。
積體電路是資訊產業的基石，也是高科技的“明珠”，而矽是積體電路的基礎材料。全球95%以上的半導體器件和90%以上的積體電路製作都是在矽片上完成的。所以說，沒有矽就沒有積體電路，沒有積體電路就沒有資訊社會，所以矽是現代資訊社會的基礎和核心材料。矽之所以成為首選，原因有三個方面。一是其純度極高，在所有的物質中，能夠被提得最純的就是矽材料，可達10個9以上，因此能控制材料裡的電子輸運性質；二是能夠把原子排列成高度有序的單晶體結構，自然界中只有鑽石才能做到這樣，但矽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%，製備成本低廉，工藝成熟，能生長大直徑、低缺陷的晶體，且可以做穩定的氧化層，安全無毒。這些優勢使矽在過去70年裡穩居積體電路基礎材料的核心地位。
矽很重要，但是不是從鵝卵石或石英礦裡面燒製出來的矽材料，就可以用於積體電路的製作呢？矽材料是一個典型的點石成金材料，由矽石（以二氧化矽為主要成分的礦物）經焦炭還原製得，也稱工業矽，純度約95%至99%，但無法直接用於積體電路。用於積體電路需進一步提純至10個9以上的半導體級多晶矽，即每100億個矽原子中僅含1個其他原子。根據中間化合物的反應，製備此高純材料主要有兩種工藝。一是三氯氫矽工藝（西門子工藝），最早由西門子公司發明，目前在全球佔據主流。該工藝透過矽與鹽酸反應生成三氯氫矽，經多次精餾提純後，再還原出高純矽。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矽。二是矽烷工藝，首先把矽做成矽烷，再在800攝氏度左右分解直接得到矽。該工藝較為簡單且能耗低，但矽烷易燃易爆，氣體處理複雜，全球產量僅佔10%左右。
近年來，我國多晶矽產業發展迅速，特別是2005年後，受太陽能光伏產業推動，成為全球發展最快的國家。2023年，我國電子級多晶矽產量約6000噸，佔全球15%；光伏級多晶矽產量143萬噸，佔全球89%。全球上規模的多晶矽企業中，中國有9家；國際高純多晶矽企業中，中國有19家。此外，兩家矽烷法制備多晶矽的企業均在中國。我國在光伏級高純多晶矽產業上領先全球，電子級仍有待追趕。
製備出的多晶矽儘管純度很高，但高純度並不足以滿足積體電路製造的所有要求，還需要將多晶矽提純到足夠純淨的單晶矽，這涉及一系列複雜的科學原理和高度精密的技術過程。比如，高純多晶矽轉化為晶體可以透過直拉法實現：將高純多晶矽置於石英坩堝中加熱至1420攝氏度熔化，隨後用種子晶體接觸熔體並向上提拉，熔體逐漸凝固成單晶矽。此即直拉單晶矽的生長過程。目前，直拉單晶矽直徑大、體積大、工藝成熟，是純度最高、結構最完整、產業規模最大的半導體晶體材料，也是人類研究效能和結構最透徹的人工晶體材料之一。
當我們獲得矽晶體材料後，需進行加工，因為一個晶體棒無法直接使用。怎麼加工？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），然後使用金剛刀和線鋸將其切成一個個薄片（切片）。由於切出來的矽片表面粗糙不平，需用碾磨機磨平並去除損傷層（磨片），最後進行拋光以提高表面整潔度和質量，降低粗糙度。拋光要求極高，相當於北京至杭州1100公里距離內的高低起伏不超過一釐米。整個過程中，還需在各道工序間嚴格清洗矽片或晶錠，最後得到一個超淨的矽片。還有一種是在拋光矽片上面再加一層矽薄膜，這稱為外延矽片。這樣，所有積體電路均製備在這兩種矽片上，即矽的拋光片或外延片上，這就是積體電路所用的矽材料。
那麼，我國積體電路矽材料的產業處於什麼樣的狀態？目前，6英寸及以下小直徑矽片已實現完全國產化，8英寸矽片國內市場佔有率約40%～50%，12英寸矽片約佔15%～20%，且28奈米節點矽片已透過驗證。在基礎研究方面，浙江大學的科研人員在國際上提出了摻氮直拉矽單晶概念，利用氮原子調控抑制奈米級積體電路的微曲線問題，該方案已被全球工業界廣泛採納，應用於90奈米節點以下積體電路，成為中國的一個創新解決方案。
我們經常聽到的晶片7奈米、5奈米、3奈米，是指兩個元器件之間的特徵線寬，就是積體電路內部電路導線的寬度，它反映了積體電路的精細程度和整合度。整合度越高，所容納的元件數目越多。隨著積體電路的快速發展，特徵線寬在不斷降低，從過去的180奈米，到現在的10奈米、7奈米，7奈米晶片大約能容納70億個電晶體。世界積體電路的製程工藝水平已經由微米級、亞微米級、深亞微米級進入到奈米級階段，這對包括光刻在內的半導體制程工藝提出了新的挑戰。隨著晶片製程愈發接近物理極限，有沒有新的矽材料能滿足奈米級積體電路的製備呢？
一個指甲大小的積體電路能整合10億個元器件，目前技術已進展至7奈米、5奈米、3奈米，乃至挑戰1奈米。但矽原子的原子間距約3.14A，3個矽原子即達1奈米，接近物理極限，易引發量子隧穿效應。在這種情況下，積體電路怎麼發展？一是延續摩爾（More Moore），即繼續縮小特徵線寬；二是超越摩爾（More than Moore），即多樣化整合。這對矽材料提出新要求：一是越做越大，矽片直徑需不斷增大，目前已達300毫米（12英寸）；二是越做越小，需探索奈米級矽材料，如奈米矽顆粒、奈米線、奈米管、奈米帶。奈米矽顆粒直徑小於100奈米，特別當尺寸小於4.9奈米（矽的激子玻爾半徑）時，會展現出量子限域、表面效應及多激子效應，效能大幅提升，可替代傳統半導體材料。這種奈米矽能應用於發光、鋰離子電池、生物技術及光伏等領域。透過調控奈米矽顆粒直徑，可實現從藍光到紅光的全譜系發光，且支援電控制電子發光。
奈米矽線作為矽基光電子光源，由哈佛大學的Lieber教授於1998年首次製備成功，現已廣泛應用於積體電路。早期積體電路採用平面結構，現代則使用FinFET結構，其中矽部分被豎起。3奈米及以下器件中，矽呈現為線狀，形成奈米矽線環柵或圍柵結構，這一結構已成為主流。今後還會把奈米線變成奈米片，做成圍柵結構。我國科學家在奈米矽領域的研究取得顯著成就，如成功製備奈米矽顆粒、奈米矽線及奈米矽管，特別是做出了全世界首個奈米矽管，引導了國際上奈米矽管的製備。同時，在奈米矽圍柵器件領域實現了突破，如北京大學團隊在矽奈米線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，也首次提取了矽奈米線圍柵器件的漲落源，並透過最佳化設計大幅提升了器件的模擬與射頻效能。
當矽片的特徵線寬到了28奈米以後，雖然晶片的效能仍在提高，但是成本卻不再降低，摩爾定律近乎失效。除此之外，當特徵尺寸到了1奈米以後，將會遇到電訊號延遲、頻寬受限和功耗密度的不斷上升的問題。如何超越摩爾定律？
一種透過將光子引入到矽基整合晶片上的技術脫穎而出，這就是矽基光電子技術。矽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合。微電子以積體電路為基礎，主要依賴電子的輸運，而光電子則在光與電之間進行轉換，支撐了雷射、網際網路和光纖等高科技產業的發展。矽基光電子在積體電路上實現了光的傳輸與控制，由於光在矽中的傳輸速度比電子快1000倍以上，因此其效能可以大幅提升。矽基光電子的優勢包括頻寬增加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、介面密度增加等。它已成為資料中心、通訊、自動駕駛、感測、高效能計算和人工智慧等領域的重要應用場景，成為積體電路發展的重要方向。西方發達國家，如美國、日本、德國的大型企業早在20年前就佈局矽基光電子，進行了長期投入和研發。比如，美國成立了一個專門的12英寸、300毫米的矽基光電子研究專案，大力推動矽基光電子，這已經成為一個重要產業爆發的前夜。預計今年，矽基光電子的銷售額將是2020年的4倍。
矽基光電子材料的製備，包括光源、波導、調製、探測、封裝等不同階段，其中最核心的就是矽基光源，也就是讓矽基發光。因為矽材料是間接半導體材料，發光強度、發光效率極低，可以說幾乎是不發光的。因此能否結合矽基異質整合，在矽上製備新材料，讓矽基發光？這很難，因為既要保留矽基積體電路的功能，又要讓它發光。半導體發光已是重要產業，如半導體照明、雷射、半導體顯示等，但這些都依賴化合物半導體，成本高且與積體電路不相容。如何在矽上利用積體電路相容技術實現發光，成為國際難題和研究前沿。
科學家們嘗試了各種方法，如多孔矽、矽奈米晶、矽有機發光等八九種路徑。其中，矽基鍵合是一項重要技術，它先在另外的一個工藝線上把雷射器做好，主要的是磷化銦雷射器，再透過鍵合將其與積體電路結合，讓光進入電路，稱為混合雷射器。這項技術由美國英特爾公司和有關大學合作發明，已實現產業化，用於晶片間的光互聯。但它未在晶片上直接製備光源，存在對準難、密度受限等問題，且與積體電路工藝不相容。所以，這僅是做了矽基光電子的第一步。我國科學家在此領域也做了許多工作。浙江大學有關團隊2007年就在矽基上透過氧化鋅實現了室溫電泵隨機激射，這是國際首次。北京郵電大學團隊在矽基銦砷和鎵砷量子點雷射器上取得世界先進水平成果，2023年首次實現SOI（絕緣層上矽）級的電泵激射，功率超60毫瓦，室溫外推壽命超2萬小時，成為國際矽基量子點領域的一大亮點。
矽材料是積體電路的基礎材料，它支撐了整個積體電路的發展，也支撐了資訊產業的發展。而摩爾定律的發展走到了極限，More Moore和More than Moore兩個賽道上都需要矽基新材料。可以看到，矽基的奈米矽材料、矽基的異質整合的新材料、矽基光電子的新材料等，都促進了積體電路向新一代的器件發展，促進了積體電路進一步的深化發展。可以想象，在積體電路新材料的支撐下，積體電路將超越摩爾定律，為人類的資訊產業、高科技產業提供基礎的支撐。
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