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热门硅芯片 发展需要冷思考

发布时间:2019-11-06来源:nba新闻办作者:卢军霞 吴雅兰 柯溢能 卢绍庆0

芯片是微电子科技和产业飞速发展的核心要素,小到手机,大到计算机,都是由集成电路上的芯片驱动的。随着现代科技的发展,芯片集成的功能越来越多,一块指甲盖大小的芯片上有上百亿个元器件在运转。而目前世界95%以上的芯片是由硅材料制作的。可以这么说,没有好的硅片,就没有好的芯片。

“如果把芯片比作一件家具的话,硅材料就是做家具的木头。木头的好坏直接决定了家具的好坏。硅材料是芯片研制的基础,也是我国赶超国际先进水平的重要领域。”中国科学院院士、nba投注网硅材料国家重点实验室主任杨德仁这样打了一个比方。他认为,目前硅材料很“热”,但研究需要“冷”思考,要找准要点、难点、痛点,在原始创新和产业发展两方面科学布局,集中攻关,促进中国芯片的快速发展。

 

一代材料决定一代器件 如何产业化是瓶颈

硅,虽然没有纯元素存在于地球,但却含量丰富。硅材料,无毒、对环境友好,相对制备成本低。“微电子行业的技术进步,如果没有好的硅片是无法推动的。”

当前,随着芯片要求的不断提升,硅片的研发制造越发体现出高精尖的特点,而且,为了减少耗材、降低成本,硅片也越做越大,更大尺寸的硅片一直是行业研发的热点。

杨德仁说,对于芯片领域的硅材料,我国在基础研究上已经能够与世界先进水平平等对话,但是在产业化上与国外还是有很大的距离。虽然在8英寸这个级别上,国产硅片已经占到了15%左右的市场份额,但是在目前代表行业领先水平的12英寸硅片上,还是依赖进口。

其实,杨德仁带领的nba投注网硅材料重点实验室团队早在2003年,在国家“863”项目的支持下,和企业(浙江金瑞泓)合作就已经研制出12英寸的硅片样品,然而直到今天,依靠自主知识产权的12英寸硅片还没有正式进入国内外芯片市场。

产业化的难度在哪里?

杨德仁表示,一是行业竞争大。纵观微电子发展的60年,数百个的硅片制造企业被淘汰、兼并,目前世界上五家最大的硅片企业控制着全球98%12英寸硅片的市场份额,可以说“蛋糕已经分好”,新的企业投资巨大又要从零追赶,困难极大。二是另起炉灶难。硅芯片制造周期在三四个月左右,一旦出现失误,不仅是成本的浪费,更是产品制造周期的延长,芯片企业往往不会轻易选择一家陌生的硅片制造商来作为新的合作伙伴。三是技术门槛高。作为高技术难度的行业,每一次芯片技术迭代都是精细化的一次超越,需要投入上百亿元的资金,而且对硅片提出了更高的技术要求。

杨德仁说,根据估算,一条月产量10万片的硅片生产线,需要投入大约25亿元,而且最初的5年可能都难以盈利,正因如此,民营企业不太愿意涉足这个领域,“不过自从中兴事件后,芯片行业变得热门起来,而且硅片也曾出现了暂时的短缺现象,很多地方都在投资建设。”在他看来,国内在硅片领域的投资已经出现了过度趋向,“很多地方分散做,资金、技术和人才都分散了,不如集中力量办大事。我建议要充分发挥国家体制优势,从顶层来规划战略发展方向,设立一个研究院来解决共性的技术问题,企业再跟上进行产业化发展。”

 

硅材料制备难 背后的人才问题更关键

硅材料的生产过程究竟高精尖到了何种程度呢?杨德仁表示,这一路都是重重险关。举个具体的例子,“比如,硅片原料的纯度要求,是在一千亿个硅原子里只能有1个其他原子;硅片表面的加工高差要求小于200纳米,也就是数百个硅原子的‘高度’。”杨德仁说,这不仅要求技术本身过硬,也对制造加工的设备提出了高要求。

那是不是我们有了先进的设备,就能制造出好的硅片呢?“也未必,这背后其实是人才的问题。而人才问题的根本解决之道是要我们自己培养出一流的人才。”

在一代代科研人员的共同努力下,nba投注网硅材料国家重点实验室已经在硅材料领域做出了重要贡献。

已故的阙端麟院士是我国半导体材料研究的先行者之一,在上世纪50年代初就开始在nba投注网从事半导体材料的研究,50年代末期他集中做硅材料研究,并且十分注重人才的培养。nba投注网是我国第一批半导体材料工学的硕士点、第一个半导体材料工学博士点、第一个半导体材料博士后流动站,也是我国最早的半导体材料重点学科。杨德仁本人就是我国第一位自行培养的半导体硅材料博士。

利用氮保护气生长直拉硅单晶,应用在电子产业,是阙端麟院士带领团队在上世纪80年代在国际上实现的突破,并且在1989年获得了国家技术发明二等奖。但是,氮原子进入硅晶体,是否影响了硅晶体、硅芯片的性能?杨德仁带领团队在阙院士的支持下,长期从事硅晶体中氮相关缺陷的性质,解决了它在硅芯片中应用的关键科学、技术问题,实现了通过硅晶体研制中掺入氮元素、“以毒攻毒”的方式制备更好质量的硅晶体,目前,掺氮硅晶体已经在全球主要硅片企业(占硅片市场95%以上)大规模生产。2005年,“掺氮直拉硅单晶氮及相关缺陷的研究”项目获得了国家自然科学奖二等奖。为了研究硅材料在将来芯片中的应用,2000年,杨德仁团队又开始了以硅为核心的纳米半导体材料的研究,在国际上首先制备出了纳米硅管和纳米硒管,并提出了两种新的制备氧化物和硫化物一维纳米半导体材料的普适方法及其机理,项目获得了2013年度国家自然科学奖二等奖。

“我的导师阙端麟院士和同事们创建实验室之初,就想着研究一定要对国家的半导体硅材料产业以及信息产业有促进作用,这个信念一直没变。我也希望自己的研究能部分地解决国家的重大需求。”

杨德仁说,nba硅材料领域取得的成绩是属于团队集体的成绩,正所谓一个好汉三个帮。目前团队拥有10多位教师、五六十名学生,获批国家自然科学基金创新研究群体,同时也是科技部创新团队和教育部创新团队。



积累原始创新 在前沿领域与国际同行一较高下

nba投注网硅材料的主攻方向有4个,即微电子、太阳能光伏、硅基光电子和纳米硅。

杨德仁介绍,硅材料除了用作芯片外,还有一个重要应用就是太阳能光伏。“目前,我国在太阳能光伏领域的产学研已经走到了国际领先水平。”杨德仁说,这样的好态势也是通过不断研发新技术、推动技术转化而得来的。

这个经历,让杨德仁对于我国芯片领域硅材料赶超世界先进水平有了更大的信心。目前他与团队正在集中精力做两件大事。一个是与产学研基地金瑞泓微电子(衢州)有限公司共同合作研究,加快推进具有自主知识产权的12英寸硅片产业化生产,同时研制掺氮、掺锗等特色硅片。另一个则是基础研究,希望在硅基光电子有原始创新突破。

硅基光电子顾名思义就是光子取代电子在硅材料上奔跑。那为什么要从电子转向光子呢?

这不仅仅是因为在硅晶体中光子的传输速度是电子的1000倍以上。随着性能要求的提升,芯片特征线宽的的距离在不断缩小。目前国际领先的芯片特征线宽是7个纳米,而正在开发的是2个纳米,也就是大约7个硅原子的距离。距离小,新的问题就冒出来了。一是指甲这么大的芯片有100亿个元器件,高耗能的直接后果就是温度高,影响质量。二是距离太小后,原本绝缘的“墙壁”薄如纸片,电子很容易“穿墙而过”,产生量子隧穿效应,让器件失效。

为此科研人员就想让光子先跑一段,再让电子跑。在这个研究方面,杨德仁带领团队与国内外同行一起攻关,他本人就是两个973项目的首席专家。

这几天,杨德仁和团队成员正在编制一个关于硅基光电子的国家重点研发计划项目的实施方案,计划不久后正式启动,“如果在这一前沿领域有所突破,就有望让全新的硅基光电子芯片成为现实。这是一个全世界都在竞争的前沿领域,相信我和团队成员能够在理论研究上做出更多贡献。”

不过,高新技术的研究不是努力一下就能上去,需要长时间的原始积累。杨德仁希望国家能加大基础研究,多为20年以后的发展做考虑,同时发挥体制优势加强人才培养。“很多‘卡脖子’技术问题,都跟对相关材料研究的滞后有关,要解决这些问题,需要我们秉持久久为功、利在长远的耐心和耐力。”

(文 卢军霞 吴雅兰 柯溢能/摄影 卢绍庆 )