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研究发现:晶体管的新材料设计可以缩小下一代技术的尺寸【附全球半导体技术赛道观察图谱】

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 瞻研究 • 2024-02-12 14:58:33 来源:前瞻网 E5810G0
100大行业全景图谱

瞻观前沿

通过更好地驯服半导体替代品的“化身”性质——从电阻绝缘体转变为导电金属。内布拉斯加州的夏洪和同事可能已经开辟了一条通往更小、更高效的数字设备的新道路。该团队在《自然通讯》杂志上报告了其发现。DOI:10.1038/s41467-023-44036-x

当前现代微芯片上覆盖着数以百万计的纳米级半导体晶体管,它们通过开关来集体处理或存储数据。尽管晶体管已经很小,但消费者的需求和竞争继续推动电气工程师进一步缩小晶体管的尺寸,要么是为了压缩更多功能,要么是为了缩小容纳晶体管的设备的尺寸。

但是一种被称为莫特绝缘体的材料却可以更好的达到研究者目标,通过在莫特绝缘体上覆盖由所谓的铁电材料制成的栅极绝缘体,然后使用电压翻转后者的极化,或正负电荷的排列,研究人员意识到他们可以引导莫特绝缘体从绝缘体到金属的转变,然后再返回。这样,配对的行为和最有前途的功能就模仿了半导体。

根据长期存在的电导率理论认为,具有莫特绝缘体电子特性的材料通常应归类为金属。然而,与金属或半导体中的电子不同,莫特绝缘体中的电子的行为并不像独立粒子。相反,它们的相互作用方式将它们限制在本地站点并阻止它们在材料中自由移动。尽管如此,某些条件(更高的温度、引入更多的电子)可以克服这些力,最终释放电子并从本质上将莫特绝缘体转变为导电金属。

“所以(传统上)要么有流动电子,要么有局域电子,”内布拉斯加大学林肯分校物理学教授夏洪说。“它的定义非常明确。”教授进一步强调,“但就莫特绝缘体而言,电子相互作用不能被忽视。由于这种相关性,很难将其简单地定义为金属或绝缘体。如果你可以调整相互作用的强度,它可以是金属,或者它可以是绝缘体。”

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图源:内布拉斯加大学林肯分校

技术价值观察

半导体(semiconductor),指常温下导电性能介于导体(conductor)与绝缘体(insulator)之间的材料。半导体在收音机、电视机以及测温上有着广泛的应用。半导体是指一种导电性可受控制,范围可从绝缘体至导体之间的材料。无论从科技或是经济发展的角度来看,半导体的重要性都是非常巨大的。

这一发现有望开辟一条通往更小、更高效的数字设备的新道路,对电子设备行业有着重要的意义。半导体产业链具体包括上游半导体原材料与设备供应、中游半导体产品制造和下游应用。其中,半导体材料处于上游供应环节,材料品类繁多,按制造流程可细分为前端制造材料和后端封装材料。半导体设备,即在芯片制造和封测流程中应用到的设备,广义上也包括生产半导体原材料所需的机器设备。在整个芯片制造和封测过程中,会经过上千道加工工序,涉及到的设备种类大体有九大类,细分又可以划出百种不同的机台,占比较大市场份额的主要有:光刻机、刻蚀机、薄膜沉积设备、离子注入机、测试机、分选机、探针台等。半导体产业下游应用领域包括网络通信、计算机、消费电子、工业控制、汽车电子等。

图表3:半导体行业产业链

宏观市场环境

全球半导体材料行业技术处于成长期

2010-2020年,全球半导体材料行业专利申请人数量及专利申请量均呈现增长态势。整体来看,全球半导体材料技术处于成长期。

图表1:全球半导体材料行业技术周期

注:当前技术领域生命周期所处阶段通过专利申请量与专利申请人数量随时间的推移而变化来分析。

2021年全球半导体行业规模达到5559亿美元

2017-2021年全球半导体行业市场规模波动变化,2019年存储芯片市场下滑严重导致全球半导体市场规模出现下降,2020年以来恢复增长。根据美国半导体产业协会(SIA)发布数据,2021年达到5559亿美元,较2020年增长26%。

图表1:2017-2021年全球半导体行业规模(单位:十亿美元)

晶圆制造设备占据行业主流

2021年全球半导体设备市场中,晶圆制造设备市场规模占比超过85%,而封装和测试设备市场规模占比均在7%左右。

图表3:2021年全球半导体设备产品结构(单位:%)

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