自1954年以来，硅一直是先进技术发展的重要基石。人们普遍认为，硅作为电子元件基础结构核心材料的地位不可动摇。但根据摩尔定律，硅也有局限性。因此，自初次使用硅作为半导体原材料以来，业界一直在寻找替代材料。
迄今为止，没有哪种材料能够像硅一样兼具多元化特性，半导体行业大规模投资硅材料也预示着其长期存在的必然性。但事实上，半导体材料非常丰富，并且能够为微电子的不同领域带来宝贵价值。要知道，第一个晶体管使用的不是硅，而是锗。如今，许多替代材料正与硅一起扮演重要角色，在消费技术持续向电气化转变的过程中，这一点尤为突出。半导体材料专家深知，问题不在于用一种材料替代另一种材料，而是为具体应用选择更合适的材料，帮助满足性能、效率、稳健性等要求。
接下来将提到两种颇有前景的半导体替代材料，并将围绕其适用范围以及优缺点展开详细介绍。
适合极端环境的解决方案
与硅相比，宽禁带半导体材料具有一系列优势。这些材料可在更高的电压和温度下工作，能够开启更高的通信信道并在更多样的环境中正常运行，有时甚至适用于极端环境，也因此成为了创新的重要驱动力。宽禁带材料有助于实现更快、更小、更高效且更可靠的器件设计，从而能为功率和射频电子应用带来益处。
氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）是目前比较常用的两种宽禁带半导体材料。这两者在20世纪80年代末因蓝光LED的开发走向商业化，并因其较大的能隙尺寸而成为可能（能隙是指半导体中电子的价带与导带之间的能量区间）。氮化镓在生长工艺上相较于碳化硅取得的突破，使其在光学技术领域得到了广泛应用，例如在蓝光DVD播放器中的使用，并因此在2014年获得了诺贝尔物理学奖的肯定。
宽禁带半导体材料除了具备较大的能隙特性之外，还拥有极高的热导率，这意味着它们能够更有效地散热，进而提升设备的运行效率，因为较低的工作温度有利于设备性能的优化。这些材料能够耐受更高的电场和高温环境，使它们在功率电子领域的应用尤为吸引人，尤其是在设计逆变器、电源以及电机驱动系统等方面。在汽车领域，例如电动汽车（EVs）和插电式混合动力汽车等，GaN和SiC为功率器件带来的性能特性极大地提升了它们的应用价值。
除了应用于LED和功率电子元件，GaN还是射频放大器等高频器件的重要材料，推动了无线通信和5G网络的发展。
此外，SiC材料非常坚硬，具有出色的机械稳定性，并且材料成本比较低，能够在许多行业中大放异彩，甚至能用于制造磨料和切割工具的领域中。
潜力巨大但非常复杂
在许多方面，GaN和SiC在半导体行业中的应用复杂度都比传统硅材料更高。GaN难以广泛采用的主要问题在于其可靠性和成本。
对比硅的1.12电子伏，氮化镓的能隙高达3.4电子伏，这一特性使其在高功率及高频率设备上有着天然的适用性。然而，在生长过程中，GaN易出现缺陷和位错，这可能会影响器件的可靠性。此外，生产大面积的GaN基晶圆既困难又成本巨大。为解决这些问题，众多研究者致力于研发将GaN集成至硅晶圆的技术，这涉及到将两种不同晶体结构以尽量避免产生位错和缺陷的方式相结合。这一任务极具挑战性，且可能有晶圆裂纹的风险。
碳化硅的硬度及其脆性特点，使其生产过程面临诸多挑战。该材料在生长和加工过程中需在较高温度下长时间耗能。特别是在使用广泛的4H-SiC晶体结构时，由于其高透明度和高折射率的特性，使得在检测过程中发现表面缺陷尤为困难。
半导体仿真的新时代
前景广阔的半导体材料数不胜数，GaN和SiC只是其中的两种。我们预期将不断见证新型材料及其应用的涌现，这些材料将利用诸如自旋电子学、铁电性质或相变材料等新颖物理学原理，在替代性存储器件设计等领域发挥作用。
在探索石墨烯之外的二维材料方面，研究者们已经发现了新的材料种类，比如过渡金属硫属化合物单分子层（TMDs），这一发现为新型器件的研发敞开了大门。同时，神经形态计算的领域正在迅速扩展，这将对器件功能和计算机体系结构产生重大影响。最终，低温应用的研究可能对提升数据中心的能效发挥重要作用，尤其是在人工智能应用迅猛增长、能源消耗问题日益凸显的背景下，这一研究有望引领我们进入全新的材料类别。
在这些讨论中，我们关注的是对硅基材料的补充而非替代。现有技术及不断演进的新技术正重新定义尺寸缩放的原则。随着我们步入系统技术协同优化（STCO）的新时代，设计将逐渐呈分散化，这样不仅可以更经济地构建单个组件，而且还能通过重新组合它们来提升整体性能。为此，我们必须为新时代的芯片设计探索做好准备。
