三星宣布，加入了11nm 工藝，性能比此前的14nm提升了15%，單位面積的功耗降低了10%。若要遵循摩爾定律繼續走下去，未來的半導體技術還會有多大所提升空間呢？

10年前我們覺得65nm工藝是極限，因為到了65nm節點二氧化硅絕緣層漏電已經不可容忍。所以工業界搞出了HKMG，用high-k介質取代了二氧化硅，傳統的多晶硅-二氧化硅-單晶硅結構變成了金屬-highK-單晶硅結構。5年前我們覺得22nm工藝是極限，因為到了22nm溝道關斷漏電已經不可容忍。所以工業界搞出了FinFET和FD-SOI，前者用立體結構取代平面器件來加強柵極的控制能力，后者用氧化埋層來減小漏電。現在我們覺得7nm工藝是極限，因為到了7nm節點即使是FinFET也不足以在保證性能的同時抑制漏電。所以工業界用砷化銦鎵取代了單晶硅溝道來提高器件性能。當我們說工藝到了極限的時候，我們其實是在說在現有的結構、材料和設備下到了極限。然而每次遇到瓶頸的時候，工業界都會引入新的材料或結構來克服傳統工藝的局限性。當然這里面的代價也是驚人的，每一代工藝的復雜性和成本都在上升。

Source：源極  Gate：柵極  Drain：漏極

工作原理

一個芯片上整合了數以百萬計的晶體管，而晶體管實際上就是一個開關，晶體管能通過影響相互的狀態來處理信息。晶體管的柵極控制著電流能否由源極流向漏極。電子流過晶體管在邏輯上為“1”，不流過晶體管為“0”，“1”、“0”分別代表開、關兩種狀態。在目前的芯片中，連接晶體管源極和漏極的是硅元素。硅之所以被稱作半導體，是因為它可以是導體，也可以是絕緣體。晶體管柵極上的電壓控制著電流能否通過晶體管。

摩爾定律

為了跟上摩爾定律的節奏，工程師必須不斷縮小晶體管的尺寸。但是隨著晶體管尺寸的縮小，源極和柵極間的溝道也在不斷縮短，當溝道縮短到一定程度的時候，量子隧穿效應就會變得極為容易，換言之，就算是沒有加電壓，源極和漏極都可以認為是互通的，那么晶體管就失去了本身開關的作用，因此也沒法實現邏輯電路。從現在來看，10nm工藝是能夠實現的，7nm也有了一定的技術支撐，而5nm則是現有半導體工藝的物理極限。

硅芯片工藝自問世以來，一直遵循摩爾定律迅速發展。但摩爾定律畢竟不是真正的物理定律，而更多是對現象的一種推測或解釋，我們也不可能期望半導體工藝可以永遠跟隨著摩爾定律所說發展下去。但是為了盡可能地延續摩爾定律，科研人員也在想盡辦法，比如尋求硅的替代材料，以繼續提高芯片的集成度和性能。接下來我們來談一下幾種未來有可能取代硅，成為新的半導體材料方案。

III-V族化合物材料

可能將會在7nm節點放棄傳統的硅芯片工藝，并在未來的幾年中啟用全新的半導體材料來作為繼任者，目前看來，這種新材料很可能會是III-V族化合物半導體。該半導體材料是以III-V化合物取代FinFET上的硅鰭片，與硅相比，由于III-V化合物半導體擁有更大的能隙和更高的電子遷移率，因此新材料可以承受更高的工作溫度和運行在更高的頻率下。Intel在很早之前已經嘗試III-V族化合物（磷化銦和砷化銦鎵）與傳統晶圓整合的化合物半導體。而在一年多前，IMEC（微電子研究中心，成員包括Intel、IBM、臺積電、三星等半導體業界巨頭）已經宣布成功在300mm 22nm晶圓上整合磷化銦和砷化銦鎵，開發出FinFET化合物半導體。

III-V族化合物成為FinFET上的鰭片

比起其他替代材料，III-V族化合物半導體沒有明顯的物理缺陷，而且跟目前的硅芯片工藝相似，很多現有的技術都可以應用到新材料上，因此也被視為在10nm之后繼續取代硅的理想材料。目前需要解決的最大問題，恐怕就是如何提高晶圓產量并降低工藝成本了。

1、石墨烯

電鏡下的石墨烯，呈六邊形結構

石墨烯被視為是一種夢幻材料，它具有很強的導電性、可彎折、強度高，這些特性可以被應用于各個領域中，甚至具有改變未來世界的潛力，也有不少人把它當成是取代硅，成為未來的半導體材料。但是真正把它應用于半導體領域，還需要克服不少的困難。

2、硅烯

碳跟硅具有相同的化學性質，而事實上，在空氣中，硅烯具有極強的不穩定性，即使在實驗室中，硅烯的保存時間也很短。如果要制作硅烯晶體管，還需要嘗試通過添加保護涂層等手段，保證硅烯不會變性，才可能應用于實際當中。雖然硅烯的應用面臨著重重困難，但它仍然有希望趕超老大哥石墨烯，成為理想的半導體材料。

具有相似結構的硅烯，可能是比石墨烯更好的方案

結束語

科研總是走在實用之前很多年的，已經有許多新的方向在試圖突破。比如三價五價半導體，碳納米管、以及量子隧穿類的研究。其實芯片本身在架構方面也還有很大的潛力可挖，計算性能并非只能死磕制程。或許只有量子計算、光子計算才是最終歸宿。