瞻觀前沿

通過(guò)更好地馴服半導(dǎo)體替代品的化身性質(zhì)——從電阻絕緣體轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)電金屬。內(nèi)布拉斯加州的夏洪和同事可能已經(jīng)開(kāi)辟了一條通往更小、更高效的數(shù)字設(shè)備的新道路。該團(tuán)隊(duì)在《自然通訊》雜志上報(bào)告了其發(fā)現(xiàn)。DOI：10.1038/s41467-023-44036-x

當(dāng)前現(xiàn)代微芯片上覆蓋著數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的納米級(jí)半導(dǎo)體晶體管，它們通過(guò)開(kāi)關(guān)來(lái)集體處理或存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。盡管晶體管已經(jīng)很小，但消費(fèi)者的需求和競(jìng)爭(zhēng)繼續(xù)推動(dòng)電氣工程師進(jìn)一步縮小晶體管的尺寸，要么是為了壓縮更多功能，要么是為了縮小容納晶體管的設(shè)備的尺寸。

但是一種被稱(chēng)為莫特絕緣體的材料卻可以更好的達(dá)到研究者目標(biāo)，通過(guò)在莫特絕緣體上覆蓋由所謂的鐵電材料制成的柵極絕緣體，然后使用電壓翻轉(zhuǎn)后者的極化，或正負(fù)電荷的排列，研究人員意識(shí)到他們可以引導(dǎo)莫特絕緣體從絕緣體到金屬的轉(zhuǎn)變，然后再返回。這樣，配對(duì)的行為和最有前途的功能就模仿了半導(dǎo)體。

根據(jù)長(zhǎng)期存在的電導(dǎo)率理論認(rèn)為，具有莫特絕緣體電子特性的材料通常應(yīng)歸類(lèi)為金屬。然而，與金屬或半導(dǎo)體中的電子不同，莫特絕緣體中的電子的行為并不像獨(dú)立粒子。相反，它們的相互作用方式將它們限制在本地站點(diǎn)并阻止它們?cè)诓牧现凶杂梢苿?dòng)。盡管如此，某些條件（更高的溫度、引入更多的電子）可以克服這些力，最終釋放電子并從本質(zhì)上將莫特絕緣體轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)電金屬。

所以（傳統(tǒng)上）要么有流動(dòng)電子，要么有局域電子，內(nèi)布拉斯加大學(xué)林肯分校物理學(xué)教授夏洪說(shuō)。它的定義非常明確。教授進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)，但就莫特絕緣體而言，電子相互作用不能被忽視。由于這種相關(guān)性，很難將其簡(jiǎn)單地定義為金屬或絕緣體。如果你可以調(diào)整相互作用的強(qiáng)度，它可以是金屬，或者它可以是絕緣體。

圖源：內(nèi)布拉斯加大學(xué)林肯分校

技術(shù)價(jià)值觀察

半導(dǎo)體(semiconductor)，指常溫下導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體(conductor)與絕緣體(insulator)之間的材料。半導(dǎo)體在收音機(jī)、電視機(jī)以及測(cè)溫上有著廣泛的應(yīng)用。半導(dǎo)體是指一種導(dǎo)電性可受控制，范圍可從絕緣體至導(dǎo)體之間的材料。無(wú)論從科技或是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的角度來(lái)看，半導(dǎo)體的重要性都是非常巨大的。

這一發(fā)現(xiàn)有望開(kāi)辟一條通往更小、更高效的數(shù)字設(shè)備的新道路，對(duì)電子設(shè)備行業(yè)有著重要的意義。半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈具體包括上游半導(dǎo)體原材料與設(shè)備供應(yīng)、中游半導(dǎo)體產(chǎn)品制造和下游應(yīng)用。其中，半導(dǎo)體材料處于上游供應(yīng)環(huán)節(jié)，材料品類(lèi)繁多，按制造流程可細(xì)分為前端制造材料和后端封裝材料。半導(dǎo)體設(shè)備，即在芯片制造和封測(cè)流程中應(yīng)用到的設(shè)備，廣義上也包括生產(chǎn)半導(dǎo)體原材料所需的機(jī)器設(shè)備。在整個(gè)芯片制造和封測(cè)過(guò)程中，會(huì)經(jīng)過(guò)上千道加工工序，涉及到的設(shè)備種類(lèi)大體有九大類(lèi)，細(xì)分又可以劃出百種不同的機(jī)臺(tái)，占比較大市場(chǎng)份額的主要有：光刻機(jī)、刻蝕機(jī)、薄膜沉積設(shè)備、離子注入機(jī)、測(cè)試機(jī)、分選機(jī)、探針臺(tái)等。半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)下游應(yīng)用領(lǐng)域包括網(wǎng)絡(luò)通信、計(jì)算機(jī)、消費(fèi)電子、工業(yè)控制、汽車(chē)電子等。

宏觀市場(chǎng)環(huán)境

全球半導(dǎo)體材料行業(yè)技術(shù)處于成長(zhǎng)期

2010-2020年，全球半導(dǎo)體材料行業(yè)專(zhuān)利申請(qǐng)人數(shù)量及專(zhuān)利申請(qǐng)量均呈現(xiàn)增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。整體來(lái)看，全球半導(dǎo)體材料技術(shù)處于成長(zhǎng)期。

注：當(dāng)前技術(shù)領(lǐng)域生命周期所處階段通過(guò)專(zhuān)利申請(qǐng)量與專(zhuān)利申請(qǐng)人數(shù)量隨時(shí)間的推移而變化來(lái)分析。

2021年全球半導(dǎo)體行業(yè)規(guī)模達(dá)到5559億美元

2017-2021年全球半導(dǎo)體行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模波動(dòng)變化，2019年存儲(chǔ)芯片市場(chǎng)下滑嚴(yán)重導(dǎo)致全球半導(dǎo)體市場(chǎng)規(guī)模出現(xiàn)下降，2020年以來(lái)恢復(fù)增長(zhǎng)。根據(jù)美國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)(SIA)發(fā)布數(shù)據(jù)，2021年達(dá)到5559億美元，較2020年增長(zhǎng)26%。

晶圓制造設(shè)備占據(jù)行業(yè)主流

2021年全球半導(dǎo)體設(shè)備市場(chǎng)中，晶圓制造設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模占比超過(guò)85%，而封裝和測(cè)試設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模占比均在7%左右。

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標(biāo)簽： 絕緣體 半導(dǎo)體 材料 隨筆