半导体技术发展史及未来展望

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半导体的概念对于一般人来说有点遥远,但是却又离不开我们。在高度信息化的时代,人们在生活中对电子产品也是越发依赖。半导体主要应用于通讯、高速计算机、智能化生活等等。信息化时代的半导体技术基本被国外的科技公司所掌握,国内的半导体也在加速腾飞,国内诸如紫光集团、中芯国际等半导体企业也在加紧前进的步伐。

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  半导体的应用不仅仅是局限于我们常见的手机、个人电脑或者智能设备上,它还广泛存在于医疗,航空等尖端技术领域。

  半导体概念及发展历程

  众所周知,物体的存在形式是多种多样的:气态、液态、固态、离子体等。人们一般把导电性和导热性差的材料称为绝缘体;而将导电性、导热性好的材料称为导体;超导体虽然已经出现,不过局限性好事比较大的,大规模应用起来还需要技术的进一步发展。半导体是一种介于导体和绝缘体之间的材料,半导体是发现的比较晚的材料,直到材料提纯技术改进以后,半导体才正式被认可。当然,在我们现在的概念里,半导体就是高纯度的硅,经过加工再变成我们常见的电子芯片。

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  半导体IC设计

  半导体材料最早是在19世纪发现的,但是由于当时人们对于半导体的人士较少,所以应用上稍后有不足,但是对于半导体材料的研究并没有停止。

  在20世纪20年代,固体物理和量子力学的发展以及能带论的不断完善,半导体材料中的电子台和电子运输过程的更深入研究,半导体中的结构性能、杂质和缺陷行为的认知加深, 提高半导体材料的完整性和纯度研究。

  20世纪50年代,为了改善晶体管特性,提高晶体管的运行稳定性,半导体的制备技术得以快速发展。虽然单晶硅在为电子技术应用方面取得巨大成功,但由于硅材料的间接带隙的影响,硅基带发光其的研究进展缓慢。这一问题在半导体超晶体格概念提出和分子束外延,成功的发展出了一系列晶态、非晶态薄层、超薄层微结构材料,让半导体物理和半导体器件的设计与制造发生质变,为基于量子效应的新一代元器件制造打下基础。

  20世纪80年代,扫描隧道显微技术和院子里显微镜技术的发展与应用,纳米科学得到迅速发展,使得人们可以在原子、分子、纳米尺度上进行操控,制造具有全新功能的材料和器件,主要以碳60、碳纳米管为代表的纳米材料及半导体量子点、量子线材料和半导体量子器件研究。

  随着信息载体从电子向光电子和光子转换,半导体的技术也在不断的改变和革新,半导体材料从三维体材料到薄层、两位超薄层微结构材料向着集材料、器件、电路为一体的功能系统集成芯片材料,并以量子线和零维量子点(纳米结构材料)方向发展。

  在21世纪中叶前,以硅和硅基材料作为为电子技术的基础不会改变,化合物半导体微结构材料以其优异的光点性质在高速、低功耗、低噪音器件电路中发挥越来越重要的作用。有机半导体发光材料也是光电子器件、光电集成、光子集成中相当重要的发展方向,因为成本低廉和柔性良好,在新一代的显示面板材料中会占有相当重要的地位。

     半导体的应用及未来

  半导体广泛应用于我们的生活中,我们升上的一切智能设备都需要半导体,智能手表,智能、穿戴设备、智能手机、电脑乃至时下非常热门的VR或者智能家居都是离不开半导体技术的。目前我们接触最多的半导体是来自于CPU、DRAM内存、NAND闪存、以及各种电子控制芯片,这些芯片都是基于单晶硅加工而成。

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  智能硬件

  目前的处理器主要分为两种,ARM处理器和X86处理器,这两种处理器在底层指令集上有所不同,所以他们之间的的侧重点也不大一样,ARM处理器讲究的是低功耗,而X86处理器需要的是性能。不过它们都是采用基于硅晶圆制造的,ARM处理器主要的代工厂家为台积电和三星,他们提供了16nm、14nm FinFET+的晶圆加工工艺。而X86平台的则是由格罗方德和Intel自家生产。因特尔著名的Tick-Tock计划,就是基于摩尔定律的控制计算经验法则,不过随着进入10nm节点,摩尔定律也开始失效了,新工艺的进度一直在放缓。

  市面上的存储芯片主要分为两种,DRAM颗粒和NAND颗粒,现在的DRAM颗粒主要由三星、美光、SK Hynix三家厂商制造。其中三星已经将制程工艺提升到了18nm并开始正式量产,制造过程也由半导体印刷改变成为了双重曝光工艺。SK Hynix也已经在研发18nm的DRAM工艺。而美光最惨,20nm量产也是不久之前,18nm更是遥遥无期。NAND工艺则是由三星、美光、东芝(OCZ)把控,目前的工艺都提升到了15/16nm,并且各大厂商都在推行TLC颗粒。以上的均是最新制程,还在使用相对老旧制程工艺的有固态硬盘的主控等不会被过于被人关注的细节部分,不过这些对于性能的影响也不会太大,所以工艺的提升相对缓慢。

  GPU方面是有AMD和Nvidia,包括最近相当火热HBM堆栈式显存,其中GPU代工主要是有台积电完成,而显存则是主要由三星提供,毕竟三星的HBM堆栈式显存的发展史最迅速的。除此之外,美光的GDDR5 X显存也会是中低端的助力竞争品,毕竟性能上比普通的GDDR5要强上不少。在显卡HBM显存成本居高不下情况下,GDDR5X是这几年中低端显卡的标配显存。

  晶圆的制作过程一般是分为单晶硅提纯,制作成为柱型的硅锭,再横向进行切割成为圆形的的单个硅片,现在晶圆的一般大小为12英寸;通过氧化在晶圆表面增加一层二氧化硅构成绝缘层,使CPU不再漏电;然后就可以进行光刻,光刻就是在制作晶体管的过程,晶体管的数量和密度都会随着制程工艺的升级而不断加强;最后对晶圆进行切割,封装,制作成为CPU、GPU、DRAM颗粒、NAND颗粒。在组装成为我们生活中的手机、电脑和一种智能硬件。

  21世纪的半导体将不会仅仅局限于基于硅晶体的半导体技术,有机半导体材料、金属氧化物方向发展,以求进一步降低成本和提高稳定性,降低耗能。

 

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