引言：硅集成电路改变了我们的生活，然而硅电子产品的缺点也越发明显，基于硅的未来新材料的研究迫在眉睫。
关键词：电子产品；计算；材料科学；硅；计算机的未来；半导体
（图片来源：rbulmahn, CC BY）
硅基的半导体芯片推动了电子和计算机革命，因为这场革命，21世纪的生活与上世纪初相比简直天壤之别。在我们这个相互联系的数码世界中，硅集成电路（IC）实际上支撑了所有我们再普通不过的事情：这些集成电路控制着我们使用的系统，让我们可以随意的获取和共享信息。
从1947年第一个硅晶体管出现以来，晶体管的发展速度是极快的，单个芯片中晶体管的数量从最早的集成电路中的几千个，增长到了现在的二十亿个以上。摩尔定律告诉我们，晶体管密度每两年会增加一倍。这条定理在50年前便被提出，至今仍然适用。
50年后，摩尔定律仍然正确。（图片来源：shigeru23, CC BY-SA）
然而，硅电子产品面临一个挑战：最新电路的宽度只有7纳米，其大小位于一个红细胞（7500纳米）和DNA链（2.5纳米）的宽度之间。如果电路的宽度只有一个原子大小，那么单个硅原子的尺寸（大约为0.2纳米）将会是一个严格的物理极限，但是在到达这种尺寸之前，硅的性质就已经开始不稳定，并且难以控制。
如果没有能力进一步缩小集成电路，那么硅将无法继续带来它目前产生的效益。应付这种挑战，我们需要重新思考如何生产设备，甚至考虑是否需要使用硅的替代品。
速度、热和光
为了理解这种挑战，我们必须了解硅成为电子产品材料首选的原因。硅的支持者认为，硅有很多优点——储量多，易加工，物理性能良好、有稳定的氧化物（二氧化硅），这些优点恰好是优秀的绝缘体所需要的。当然，它也有一些缺点。
例如，将越来越多的晶体管集成到单个芯片中有一个明显的优势：这能提高集成电路处理信息的速度。但是，这种速度的提高非常依赖于半导体材料中电子移动的难易程度，也就是电子迁移率，尽管硅中的电子能够移动的。但是电子在其它半导体材料中的移动更加自由，如砷化镓，砷化铟，锑化铟。
半导体的导电性能不仅仅取决于电子的运动，还与空穴的运动有关—核外电子迁移后，在原来位置留下的空隙称为空穴。
现代的集成电路使用互补金属-氧化物半导体（CMOS）技术，其中有一对晶体管，一个晶体管使用电子，另外一个使用空穴。但是硅中的空穴迁移率很低，这是实现高性能的一个障碍——因此，多年来厂商不得不通过在硅中加入锗来改进这种性能。
硅的第二个问题是，在高温条件下硅的性能会剧烈降低。现代集成电路含有数以百万计的硅晶体管，产生很大的热量，这也是人们努力研发冷却技术的原因——大家可以想想台式电脑处理器上的风扇和散热器。可替代的半导体，如氮化镓和碳化硅，在较高的温度下有更好的性能，这意味着，它们运行速度更快。而且，在放大器等重要的大功率应用中，人们已经开始使用这些材料来替代硅。
最后，硅在透光方面性能也很差。然而，激光、LED和其它光电子器件在如今却很常见，它们都使用了其他半导体化合物来替代硅。因此衍生出了两个特色工业，硅电子产品和光电子化合物半导体。这种情况已经存在了很多年，但是人们现在正全力试图将电子和光电子产品集成到一个芯片中。这对于厂商来说是一个大问题。
半导体激光器中，锗已经崭露头角。（图片来源：彭家杰, CC BY-SA）
未来新材料
在为了改善硅的性能，在目前正在研究的材料中，有其中三种最有希望。
第一种材料着眼于硅中空穴较低的迁移率。改善后的材料中加入了少量的锗，但是大量或者全部使用锗的效果将更好。锗是第一种被用于半导体设备的材料，所以这对于锗来说算是“回到未来”了。但是，要让目前工业给锗腾出发展空间，对于生产商来说却是一个问题。
第二种考虑的是金属氧化物。多年来，二氧化硅一直被应用于晶体管。但是，在微型化生产中，二氧化硅层厚度很小，以至于开始失去绝缘性质，由此得到的晶体管性能并不可靠。尽管可以用稀土元素的氧化物，氧化铪，作为绝缘体的替代物，研究人员仍在寻找具有更好绝缘特性的替代物。
最有趣的莫过于Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体，尤其是包含铟元素的半导体，例如砷化铟和锑化铟。这些半导体的电子迁移率比硅高50倍。当它们与富含锗的晶体管结合时，这种方法可以极大地提高速度。
但是，所有事情并没有看起来那么简单。硅、锗、氧化物和Ⅲ-Ⅴ族材料都是晶体结构，它们的性质取决于晶体的完整性。我们不能简单地将它们与硅放在一起，也不能同时得到它们的最好状态。晶格之间的不匹配，仍然是一项持久的技术挑战。
不同特色的硅
尽管诸多局限，硅电子设备适应性很强，能够在最少成本的条件下制成可靠的、大规模生产的设备进行销售。因此，尽管早已有人断言“硅的终结”，或者荒诞（有时非常不切实际）地承诺可替代的材料，硅仍然是最重要的，硅的背后是一个庞大的、发展极好的全球产业，它在我们的一生中都不会废除。
相反，人们会通过把硅和其它材料进行集成，来来改进硅的性能，推动电子产品的发展。IBM和Intel等公司和全世界的高校实验室已经倾注了时间和精力，来攻克这个挑战，其结果将会非常可观：在几年之内，将会有一种混合了Ⅲ-Ⅴ族材料、硅和锗的杂化方法出现在市场上。在激光、LED发光/显示和太阳能板中，化合物半导体已经得到了重用，这是硅无法比拟的。将来，电子器件体积越来越小、功率越来越低，以及需要新型化合物来提高性能的大功率电子器件中，人们将会需要更先进的化合物。
电子产品的未来是光明的，它仍然会在很大程度上基于硅。但是，到那个时候，硅将会具有很多不同的特色。
（翻译：张湾湾；审校：沈添怿）
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