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在现代电子设备中，硅基半导体长期占据主导地位。然而，随着其逐渐逼近物理极限，非硅基材料正成为推动下一代电子技术发展的关键力量。从柔性显示屏到高效能功率器件，这些新材料正在拓展半导体的应用边界。
香港城市大学电子工程学院的Steven博士系统解析了当前主流非硅基材料的类型、应用前景及产业化挑战。
非硅基材料的主要类型
随着晶体管尺寸进入纳米级，传统硅基半导体面临电子迁移率低、高温性能下降等瓶颈。非硅基材料凭借更高的导热性、电子迁移率和柔韧性，在高频、高功率及柔性电子领域展现出显著优势。以下是当前研究和应用较为广泛的几类非硅基材料：
碳基材料
以碳元素为核心的半导体材料，具备优异的电学与力学性能，是未来高性能与柔性电子器件的重要候选。
- 碳纳米管（CNT）：具有极高的电子迁移率和机械强度，适用于柔性电子和纳米级晶体管。
- 石墨烯：单层二维结构，导电性和热导性突出，广泛应用于透明导电膜、传感器及高频器件。
化合物半导体材料
由多种元素组成的宽带隙材料，具备高电子迁移率和优良光电特性，适用于高温、高频和高功率场景。
- 氮化镓（GaN）：用于5G通信、雷达系统、电动汽车和太阳能逆变器，支持高频高效运行。
- 碳化硅（SiC）：耐高温高压，已在新能源汽车、工业电力转换等领域实现商业化应用。
- 砷化硼（BAs）：具备超高热导率，有望解决高功率器件的散热难题。
有机半导体材料
基于有机化合物的半导体，具有良好的柔性和低温加工能力，适合轻量化、可穿戴设备。
- 有机导电聚合物：如聚苯胺、聚噻吩，成本低、柔性好，应用于柔性显示与有机光伏。
- 有机小分子半导体：如并五苯、聚芴，电子迁移率较高，可通过真空蒸镀成膜。
图1：CLAP公司在2023 CES上展出的有机薄膜晶体管（图源：CLAP官方）
其他新兴材料
- 氧化锌（ZnO）：具紫外响应特性，适用于透明电子和传感器。
- 二硫化钼（MoS₂）：二维过渡金属硫化物，适合超薄场效应晶体管。
- 黑磷（Black Phosphorus）：带隙可调（0.3–2 eV），适用于短波红外探测和柔性器件。
非硅基材料的核心应用场景
非硅基材料已在电子、光电、能源、传感和生物医学等多个领域实现突破性应用，尤其在碳基半导体、宽带隙材料和柔性电子方向进展显著。
碳基半导体：高效、柔性与环保的新选择
碳基材料兼具高电子迁移率、优异柔性和生物相容性，制造过程更环保，正逐步替代传统硅基材料。
- 电子器件：北大团队已研制出90纳米碳纳米管晶体管，性能媲美45纳米硅基芯片；2024年7月，全球首个基于碳纳米管的张量处理器问世，集成3,000个晶体管，专用于矩阵运算。
- 光电设备：石墨烯透明导电膜已用于柔性OLED和触控屏，兼顾弯曲性与导电效率。
- 能源储存：石墨烯超级电容器具备快速充放电能力和长循环寿命，广泛用于电动车和储能系统。
此外，碳基生物传感器因高灵敏度和低毒性，正应用于血糖监测、体液分析等医疗检测场景。
图2：基于碳纳米管晶体管构建的张量处理器（图源：北京大学）
宽带隙半导体：高效能与耐高温的理想方案
碳化硅和氮化镓因其高功率密度、耐高温和高频率特性，已成为电力电子和射频通信的关键材料。
- 在电动汽车和充电桩中，显著提升充电效率与续航能力，降低热管理负担。
- 在光伏、风电和智能电网中，用于逆变器和电力转换系统，提高能量利用率。
- 氮化镓广泛应用于5G基站、雷达和卫星通信，支持高频低功耗运行。
柔性半导体：推动电子产品轻便化与多样化
传统硅基材料脆性大，难以满足柔性需求。而有机半导体、石墨烯和二维材料可在低温下加工，具备良好延展性，成为柔性电子的理想载体。
- 柔性显示屏可实现折叠、卷曲设计，已应用于高端手机和可穿戴设备。
- 基于碳纳米管或石墨烯的柔性传感器可模拟皮肤触觉，用于机器人、假肢和医疗监测。
- 柔性太阳能电池可集成于建筑、衣物表面，为移动设备提供可持续电源。
图3：香港城市大学开发的电子“皮肤”（图源：香港城市大学官方）
非硅基材料的商业化挑战
尽管非硅基材料在特定领域展现替代潜力，但其大规模商用仍面临多重挑战：
- 性能局限性：多数材料电子迁移率和稳定性低于硅，难以满足复杂芯片对高速、高功率的需求；部分材料易受湿气、氧化影响，环境稳定性差。
- 制造工艺不成熟：缺乏成熟的量产技术和兼容现有产线的工艺体系，导致成本高、良率低。
- 市场接受度与标准化不足：应用多处于试验阶段，用户对其可靠性存疑；行业标准缺失，制约产业链协同发展。
Steven博士指出，非硅基材料更多是对硅基技术的有效补充，而非全面替代。未来发展趋势或将走向硅基与非硅基材料的混合集成，共同拓展半导体技术的边界。