在我們的日常生活中，硅早已是無處不在的隱形力量——從智能手機到筆記本電腦，再到汽車和家用電器，硅基半導體驅動著現代電子世界。

然而，隨著硅基半導體逐漸接近其物理極限，以及人們對更輕便、更柔性和更節能設備需求的不斷增加，非硅基材料正悄然嶄露頭角。想象一下，可以彎曲的手機屏幕、貼在皮膚上的智能傳感器，甚至是可隨身攜帶的超薄太陽能電池，這些未來科技的實現，或許正依賴于這些“非硅”新材料。

此次，香港城市大學電子工程學院的Steven博士，為我們解析了當前非硅基材料類型與發展現狀。

非硅基材料有哪些？

硅基半導體在過去幾十年里極大地推動了電子產業的發展，但在面臨現代應用需求時，其物理特性逐漸成為限制。Steven表示，隨著晶體管尺寸逐漸接近納米級，使得傳統摩爾定律中通過縮小尺寸來提升速度和能效的方式變得越來越困難。此外，隨著集成電路的集成度提高，硅基材料在高溫下性能下降，電子遷移率也相對較低，也導致了硅基材料如高頻、高溫、高功率等場景中的性能受限。

許多非硅基材料在這些場景中表現更好，可以提供更高的電子遷移率、導熱性和柔韌性，從而使其成為高性能和柔性電子器件的理想選擇。以下是一些目前被應用和研究得比較多的非硅基材料類型。

01碳基材料

碳基半導體是以碳元素為主要構成的材料，具有半導體特性。碳基半導體因其獨特的物理特性和優異的導電性能而備受關注，被認為在未來電子、光電和量子器件領域有巨大發展潛力。主要包括：

碳納米管（CNT）：具有極高的電子遷移率和強度，能夠實現更快的電子傳輸，且具有柔韌性，適用于柔性電子設備和納米級器件。

石墨烯：石墨烯是一種單層碳原子構成的二維材料，擁有極高的導電性和熱導性。石墨烯適用于透明電子器件、傳感器、光電器件以及高頻電子器件。

02化合物半導體材料

不同于硅（Si）這樣的單一元素半導體，化合物半導體是由兩種或多種不同元素組成的半導體材料，具有寬帶隙、高電子遷移率和優異的光電特性，使其能夠在高溫、高頻及光電應用中表現出色。主要包括：

氮化鎵（GaN）：適合高頻和高功率電子應用，尤其是在5G通信、雷達系統以及電力電子領域，如電動汽車和太陽能逆變器等場景中廣泛應用。

碳化硅（SiC）：SiC因其在高溫、高壓條件下的穩定性，已在電動汽車、可再生能源系統及工業電力轉換中得到應用，能夠提高功率轉換效率，減少能量損耗。

砷化硼（BAs）：具有高熱導率、寬帶隙和優良的熱穩定性等特點。在當前的半導體材料中，其高熱導率尤為突出，使其成為散熱材料的潛在選擇，特別適用于功率電子、射頻電子器件和散熱管理。

03有機半導體材料

有機半導體材料是一類基于碳的有機化合物，具有半導體特性，廣泛應用于柔性電子、光電器件、顯示技術等領域。主要包括：

有機導電聚合物：這類材料柔性好、成本低，適用于柔性顯示、可穿戴設備以及有機光伏電池等。雖然其電子遷移率較低，但在需要輕量、柔性電子器件的場景中顯示出巨大的潛力，具體包括聚苯胺、聚噻吩等。

有機小分子半導體：由相對較小的分子組成，通常具有較高的電子遷移率，容易通過真空蒸鍍法等工藝成膜，具體包括聚芴、并五苯等。

04其他新興材料

此外，以下新興的半導體材料在不同的應用場景也有著極高的應用潛力：

氧化鋅（ZnO）：具有獨特的光學和電子特性，在紫外光檢測、透明電子學和傳感器中有潛在應用。

二硫化鉬（MoS?）：是一種二維過渡金屬硫化物，在超薄場效應晶體管和柔性電子學中顯示出潛力。

黑磷（Black Phosphorus）：帶隙在0.3至2eV之間可調，適合短波紅外探測和柔性電子器件應用。

非硅基半導體材料的應用

非硅基半導體材料在電子、光電、儲能、傳感和生物醫學等領域具有廣泛應用。其中，碳基和寬帶隙半導體近年來取得了顯著進展，而在柔性半導體領域，許多非硅基材料也發揮著越來越重要的作用。

碳基半導體：高效、柔性與環保的未來材料

碳基半導體材料在結構和電性能上展現出極高的電子遷移率，使其能夠提供更快的電子傳輸速度和高效的信號處理能力。此外，碳基材料的二維結構具備無帶隙的特殊導電性，使其在光電探測器和場效應晶體管等設備中具有更靈活的應用。與硅的脆性相比，碳基半導體材料還具備優異的機械柔性和強度，非常適合制造可彎曲的柔性電子設備。此外，這類材料具有良好的生物相容性和低毒性，制造過程也更加環保。

目前，碳基半導體技術在多個行業展示出巨大的應用潛力，尤其是在電子器件、光電設備、能源儲存和生物醫學等領域，開始顯現出替代傳統硅基半導體的可能性。例如：

01在電子器件方面

研究人員已成功開發出基于石墨烯和碳納米管的晶體管，去年北大團隊制造出的90納米碳納米管，其性能已可與45納米的傳統硅基芯片相媲美。

02在光電設備方面

石墨烯透明導電膜的應用使得柔性和透明顯示器成為現實，這些顯示屏不僅可以彎曲，還能保持較高的電子傳輸效率，已在柔性OLED顯示屏和智能手機觸控屏中進行應用試驗。

03在能源儲存領域

石墨烯超級電容器能夠實現更快的充放電速度和更長的循環壽命，廣泛應用于電動汽車和再生能源儲存等領域。

此外，石墨烯和碳納米管生物傳感器因其高靈敏度和低毒性等特性，在體液檢測和血糖監測等生物醫學檢測中展現了廣泛的應用潛力。

今年7月，北京大學宣布成功研發出了世界首個基于碳納米管的張量處理器芯片，該芯片集成了3,000個碳納米管晶體管，特別適用于卷積運算和大規模矩陣乘法。這也意味著碳基材料研究開始從器件走向了更為系統化的階段。

圖2：基于碳納米管晶體管構建的張量處理器（圖源：北京大學）

寬帶隙半導體：高效能與高溫環境的理想選擇

寬帶隙材料因其高功率、高頻率、耐高溫和高耐壓等特性，廣泛應用于功率電子、射頻器件和光電器件中。這些材料在高效能和耐高溫的電子設備中發揮著不可替代的作用，逐漸成為電力電子和射頻通訊等領域的關鍵材料，推動了多個行業的技術升級和性能優化。

例如，碳化硅和氮化鎵目前已廣泛應用于電動汽車和充電站，其高效率和高耐壓特性顯著提升了電動汽車的續航里程和充電速度，同時減少了能量損耗和熱管理需求。在太陽能光伏、風力發電和智能電網應用中，寬帶隙材料被用于逆變器和電力轉換系統，有效提高了電能轉換效率并減少了能量損耗。氮化鎵因其高頻特性和低功耗，目前也被廣泛應用于5G基站、雷達系統和衛星通信中。

柔性半導體：讓電子產品走向輕便和多樣化

Steven提到，除了碳基和寬禁帶材料，許多非硅基材料也被廣泛應用于柔性半導體制造。柔性半導體是指能夠彎曲、折疊或拉伸的電子器件，常用于柔性顯示屏、可穿戴設備、電子皮膚和智能醫療設備等。這些材料相比傳統剛性半導體，能更好地適應不規則表面和運動環境。

硅基材料因其固有的剛性和脆性，在彎曲或拉伸時容易斷裂，難以滿足柔性半導體對柔韌性的要求。相對而言，有機半導體和碳基材料等非硅基材料不僅可以在低溫下加工，還具備良好的柔性和輕量化特性，成為柔性半導體的理想選擇。

目前，柔性半導體技術已廣泛應用于柔性顯示器、可穿戴設備、電子皮膚和柔性太陽能電池等領域。通過將氧化物半導體或有機半導體應用于顯示面板，屏幕可以實現彎曲或折疊。使用石墨烯或碳納米管制成的柔性傳感器，能夠模擬人體皮膚的觸覺感知，應用于機器人觸覺、假肢和醫療設備中。

此外，有機半導體和二維材料可集成在建筑物、窗戶和服裝表面，為移動電子設備提供可持續電源。基于碳納米管和有機半導體的柔性晶體管，使可折疊、卷曲的電子設備設計更加多樣化，推動了可穿戴設備和下一代便攜式電子產品的發展。

圖3：香港城市大學開發的電子“皮膚”（圖源：香港城市大學官方）

非硅基材料的商用挑戰

基于非硅基材料具備的柔韌性、輕量性和低溫加工特性，它們在柔性電子等特定應用中展現出替代硅基材料的潛力。然而，Steven指出，目前非硅基材料主要應用于集成度要求較低的領域，如汽車電子、柔性顯示屏、可穿戴設備和分布式能源等。對于手機芯片和CPU等復雜制造系統，硅基材料仍占主導地位。非硅基材料面臨一系列技術和市場挑戰，主要包括：

性能局限性：非硅基材料的電子遷移率和穩定性通常低于硅，難以滿足高速計算、存儲和大功率應用的嚴苛要求。例如，盡管石墨烯和碳納米管具有高遷移率，但在復雜晶體管電路中難以實現穩定控制。有機半導體因其分子結構的局限性，在高頻或高功率應用中表現不佳。此外，非硅基材料在環境穩定性方面較弱，易受濕氣、氧化和溫度變化影響。

制造工藝欠成熟：硅基半導體經過多年的發展，已形成成熟的制造體系，包括龐大的供應鏈和技術生態，能夠實現高質量和低成本的大規模生產。而非硅基材料的制造工藝和供應生態仍處于早期階段，許多材料難以與現有硅基工藝兼容，且制造過程中常涉及新技術，導致流程復雜、成本高。

市場接受度和標準化不足：非硅基材料的市場尚不成熟，應用仍處于試驗和探索階段，許多潛在用戶對其性能和穩定性存在疑慮。同時，非硅基材料的標準化體系尚未建立，產品規格、質量標準和測試方法等缺乏統一標準，給下游企業帶來不確定性。

Steven認為，非硅基材料的某些特性有效補充了硅基材料，并拓寬了半導體的應用邊界，但硅基半導體的主導地位仍然不可動搖。未來，兩者可能會并行發展并實現混合集成。