中国芯片改进最新成果，蓝宝石做芯片究竟好在哪里？

提起先进芯片制造，总能让人有一种异样的感觉，怎么就这么难呢？什么时候才能追上最先进水平呢？其实在技术预研究领域，中国还是能跟上世界前沿的，甚至还有一些开拓性创新。比如这个人造蓝宝石栅极技术，就走到了世界最前沿。我是东城观星，跟大家聊聊芯片那些事。

有些朋友可能会说了，用蓝宝石制作芯片是不是哗众取宠啊，至于吗，做出来的芯片谁用得起啊？你怎么不用钻石制作芯片啊？其实，芯片本身就是一个高附加值的产品，只要能满足性能需要，蓝宝石也好，钻石也罢都会毫不犹豫地应用上。更何况人造蓝宝石，并没有你想象的那样昂贵。在晶圆上制造蓝宝石，原材料是比硅还要便宜的铝和氧气，而且也不是制造一块可以当宝石的蓝宝石，只是制造一层薄薄的氧化铝，薄到肉眼都看不清的厚度，最薄只有几纳米。

这层氧化铝，也不是芯片，只是芯片上的绝缘层。当然这层绝缘层对于提升芯片性能，有至关重要的作用。用氧化铝做绝缘层，并不是什么新鲜事，但以前都是用不是晶体的氧化铝做绝缘层，结构复杂不可控，绝缘效果也不太好。在晶圆上生产晶体氧化铝也就是蓝宝石，是很困难的事情。中国团队这次就通过改进工艺，在比较温和的环境下生产出了单晶蓝宝石，不仅结构均匀而且厚度、性能等多方面都能满足芯片要求。而且也切实生产出了能正常工作的芯片，取得了预期效果。

这项成果在全球都是首创的，有望进一步提高芯片生产工艺，生产出更先进的芯片出来，所以才能发表在世界最顶级的期刊《自然》上。但是，这项技术只是技术预研，并不代表中国芯片生产就可以换道超车了。在实验室能生产出来，和在工厂里能生产出来是两码事。短期内，芯片生产的格局不会发生太大的变化。那这个蓝宝石制作芯片究竟牛在哪里呢？咱们接着说。

在台积电和三星等芯片代工大厂的带动下，芯片制造工艺越来越成熟，晶体管密度越来越高，芯片性能越来越强。但是大家都知道，芯片制造工艺已经接近瓶颈了，也就是在现在的路线下，最多到1nm工艺附近就很难走下去了。因为物理上的限制因素，造成了再往下进行就得不偿失了。

但是，魔高一尺，道高一丈，只要有困难，总会有人不断想办法突破困难。中国研发的蓝宝石绝缘层，其实就是为解决芯片生产难题铺路的。所谓的物理困局，用一句最简单的话说，就是跑电的问题。如果芯片不工作的时候，也漏电，那就会大大增加电能的损耗，也容易让芯片发热，甚至可能会出现计算错误。

理想的芯片半导体，你想让他通电它就通电，不想让它通电，它就没有电流。但是世界上没有绝对不导电的绝缘体，只要它导电的程度很低，我们就认为它绝缘了。但是所有绝缘体，长度越小，越容易漏电。

所谓的7纳米工艺、5纳米工艺和2纳米工艺，其实就是不断降低绝缘体长度的路线。在不断改进芯片工艺的过程中，绝缘体材料也在不断改革，最早二氧化硅就足够用了，后来换成了氧化铪，未来可能还要改。

但是不管怎么改，2纳米或者1纳米，已经接近人类所掌握的材料极限了，想通过换材料来延续芯片生产的摩尔定律已经不现实了。那必须要换一个思路了，于是学界提出了二维芯片的概念。

二维芯片说白了就是把半导体材料制作成了薄片，这个薄片本身就能很大程度上抑制漏电。你可以想象两张铁片并排放置，和两个铁块并排放置，哪个更容易传导热量呢？导电也是一样的效果。二维半导体特别适合制作高性能、低功耗的芯片。当然，二维半导体也需要跟它相匹配的绝缘材料，中国科学家研发的单晶蓝宝石，就是二维半导体芯片的绝佳材料。这个材料究竟怎么配合二维半导体呢？我们接着往下说。

中国科学家在晶圆上制作单晶蓝宝石，成为未来芯片发展的新方向。这种蓝宝石其实是一种绝缘材料，用在芯片上充当半导体的栅极。所谓的栅极，其实就是半导体的开关。不想让你导电的时候，开关关闭，电流被绝缘体阻挡，无法通过。想让你导电的时候，开关打开，通过外接电源的方式让绝缘材料导电，电流自由通过。

如果绝缘材料不合格，那即使是在关闭状态下，半导体也是漏电的，芯片就会比较费电。如果手机使用这样的芯片，那即使是待机状态，手机也会耗电严重，电池更加不够用了。所以，选择一种合格的绝缘材料，对高性能、低功耗的芯片来说是至关重要的。中国科学家研发的单晶蓝宝石栅极材料就很好的满足了这项需求，为下一代芯片生产打下了很好地基础。

所谓的下一代芯片，其实就是我们刚刚提到的二维半导体。这些二维半导体，将打破传统的芯片生产思路，使用全新的芯片半导体材料，开创一个新的生产格局。常见的二维半导体材料包括石墨烯，也就是我们经常说的碳基芯片的生产材料。也包括二硫化钼二维材料，中国科学家用人造蓝宝石搭配的就是二硫化钼半导体材料。当然还有黑鳞、硒氧铋、硒化铟等多种材料，这些材料都可以做成一两层原子那么厚的二维结构，制作成超薄二维电极材料。这些电极材料上下都需要覆盖绝缘材料，形成夹心结构。这些绝缘材料就是栅极，也就是半导体开关。

二维半导体的时代快来了，传统的硅基芯片生产工艺将面临着重大的变革。所有生产流程将向适应二维半导体生产的方向演化，这对于所有芯片生产厂家来说又是一场大机遇，同时也是一场大挑战，能把握住，就能跟上步伐甚至持续领先，把握不住很有可能会被甩下。

当然，二维半导体在研发的时候，也需要考虑适应传统芯片生产工艺，完全摒弃原有路线成本就太高了。中国科学家这次研发的蓝宝石生产工艺，完全可以和传统的芯片生产工艺兼容，并不会显著增加生产难度。更难为可贵的是，把铝氧化成蓝宝石的过程，完全是在室温的环境下进行的，不需要加热，也就不会破坏已经制作好的芯片结构，能够大大提高芯片生产的良品率，非常值得推荐。

你觉得未来的芯片生产工艺，会不会采用中国的人造蓝宝石路线呢？中国会不会借此实现芯片生产工艺的赶超呢，欢迎到评论区发表您的观点。