半导体硅芯片引发了电子技术与计算机化的革命，使21世纪初的生活与上一世纪初相比几乎已难以辨认。硅集成电路（IC）支撑着我们如今在互联数字世界中习以为常的几乎一切：控制我们所使用的系统，并让我们能够随时获取和分享信息。
自1947年第一个硅晶体管问世以来，芯片的进步速度十分惊人，单个芯片上的晶体管数量已从最早集成电路中的几千个增长到如今的 超过二十亿个。摩尔定律——即晶体管密度每两年翻一番—— 在其提出50年后依然成立。
摩尔定律在50年后依然成立。
shigeru23， CC BY-SA
然而，硅电子器件面临一项挑战：最新的电路 宽度仅为7纳米 ，介于红细胞（7,500纳米）与单链DNA（2.5纳米）之间。单个硅原子的尺寸（约0.2纳米）将是一个难以逾越的物理极限（此时电路宽度仅为一个原子），但在此之前，其行为就已变得不稳定且难以控制。
若无法进一步缩小集成电路，硅便无法继续带来迄今为止的性能提升。应对这一挑战可能需要重新思考器件的制造方式，甚至需要审视我们是否还需要硅的替代材料。
速度、热量与光
要理解这一挑战，我们必须探究硅为何成为电子器件的首选材料。尽管硅具有诸多优势——储量丰富、相对易于加工、物理性能良好，并且拥有稳定的天然氧化物（SiO2），恰好是一种良好的绝缘体——但它也存在若干缺点。
例如，将越来越多的晶体管集成到单个芯片中，一大优势在于可使集成电路处理信息的速度更快。但这种速度提升在很大程度上取决于电子在半导体材料内部移动的难易程度。这被称为 电子迁移率，硅中的电子迁移率已相当高，但在砷化镓、砷化铟和锑化铟等其他半导体材料中，电子迁移率要高得多。
然而，半导体有用的导电特性不仅涉及电子的移动，还涉及所谓的 电子空穴 的移动——即电子被移出后，在围绕原子核运动的电子晶格中留下的空位。
现代集成电路采用一种称为互补金属氧化物半导体（CMOS）的技术，该技术使用一对晶体管，一个利用电子，另一个利用电子空穴。但硅中的电子空穴迁移率非常低，这成为提升性能的一大障碍——以至于多年来，制造商不得不在硅中掺入锗来提高其迁移率。
硅的第二个问题是，其性能在高温下会严重下降。拥有数十亿个晶体管的现代集成电路会产生大量热量，因此需要投入大量精力进行散热，例如普通台式电脑处理器上安装的风扇和散热片。氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）等替代半导体在较高温度下的表现要好得多，这意味着它们可以以更高速度运行，并已开始在关键的 高功率应用 （例如放大器）中取代硅。
最后，硅的光传输能力非常差。如今，激光器、发光二极管（LED）及其他光子器件已十分普遍，但它们采用的是硅以外的替代化合物半导体。因此，逐渐形成了两大截然不同的产业：用于电子器件的硅产业，以及用于光子学的化合物半导体产业。这一局面已持续多年，但如今人们正大力推动将电子器件与光子器件集成于单个芯片之上。对制造商而言，这是一个相当棘手的问题。
面向未来的新材料
在众多有望与硅结合以提升其电子性能的材料中，或许有三种在短期内前景可期。
第一种涉及硅的电子空穴迁移率较低的问题。目前已添加少量锗来改善这一点，但若大量使用锗，甚至完全转向全锗晶体管，效果将更佳。锗是最早用于半导体器件的材料，因此这实际上是一次“回归未来”的举措。不过，要让既有产业围绕锗重新调整布局，对制造商而言将是一个相当大的难题。
第二种涉及金属氧化物。二氧化硅在晶体管中已被使用多年，但随着器件小型化，二氧化硅层已变得极薄，以至于开始丧失绝缘性能，导致晶体管不可靠。尽管目前已转而采用稀土 二氧化铪 （HfO2）作为替代绝缘材料，但目前仍在积极寻找
绝缘性能更优的替代品。
或许最引人关注的是所谓的 III-V族化合物半导体，尤其是含铟的此类材料，例如砷化铟和锑化铟。这些半导体的电子迁移率 比硅最高可高出50倍 。当与富锗晶体管结合使用时，这一方法有望带来显著的速度提升。
然而，事情并非看上去那般简单。硅、锗、氧化物以及III-V族材料均为晶体结构，其性能依赖于晶体的完整性。我们不能简单地将它们与硅混合在一起，就能兼得二者之长。应对这一问题，即 晶格失配，是当前持续面临的主要技术挑战。
硅的多种形态
尽管硅电子器件存在局限，但它已证明了其适应性，能够被制成可靠且可大规模量产的器件，成本极低。因此，尽管标题中频频出现“硅的终结”之类的说法，或是替代材料带来各种引人注目（有时颇不切实际）的承诺，硅依然是王者。在庞大且高度发达的全球产业支撑下，它在我们有生之年都不会被取代。
相反，电子技术的进步将来自于通过整合其他材料来改进硅。IBM、英特尔等公司以及全球各地的高校实验室都已在这一挑战上投入了大量时间与精力，结果令人鼓舞：一种 将III-V族材料、硅与锗相融合的 混合方法有望在几年内投入市场。化合物半导体已在激光器、LED照明与显示屏以及太阳能电池板中找到重要应用，而在这些领域，硅根本无法与之竞争。随着电子器件不断趋于小型化与低功耗，以及在高功率电子器件中（其特性相较硅的能力有显著提升），将需要更先进的化合物材料。
电子技术的未来一片光明，它在很大程度上仍将以硅为基础，但如今的硅已有了多种不同的形态。
本文与 The Conversation合作发表。发表本文并不意味着世界经济论坛认同文中观点。
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作者： Mark Hopkinson ，为半导体材料教授，任职于 谢菲尔德大学
图片：一个计算机键盘上的“End”键被放置在集成电路板上，该插图摄于2013年12月13日，拍摄地点为华沙。图片拍摄于12月13日。路透社/Kacper Pempel
