石墨烯在半导体行业的前景

石墨烯在半导体产业具有广阔的应用前景半导体产业主要由集成电路、光电，石墨烯的透明性和柔韧性等特点，在柔性显示屏行业的前景不可限量。

石墨烯是二维原子尺度、六角型的碳同素异形体，其中每个顶点有一个原子。它是其他同素异形体（包括石墨、木炭、碳纳米管和富勒烯）的基本结构单元。

它也可以被认为是一个无限期的大芳香分子，平面多环芳烃家族的最终案例。石墨烯有许多特性。与其厚度成比例，它比最坚固的钢大约强100倍。

它可以非常有效地传导热和电，并且几乎是透明的。石墨烯还显示了一个大的非线性抗磁性。

导读

虽然导电性能卓越，但是石墨烯中的电子运动得有些“野蛮”。当电子通过石墨烯时，仍然保持直线与高速，无法受到阻止和控制。因此，石墨烯并不适用于半导体。

众所周知，硅是如今最广泛应用的半导体材料，其带隙足够大，可以用于“开”或“关”电流。这种能力对于构成现代二进制计算机的关键元件晶体管来说至关重要。令人遗憾的是，石墨烯却不具备这样的带隙。

Cheng 表示：“过去，研究人员们是通过简单地拉伸石墨烯打开带隙，但只是拉伸无法使带隙增宽许多。你需要永久地改变石墨烯的形状，从而保持带隙被打开。”

参考资料

【1】Maithilee Motlag, Prashant Kumar, Kevin Y. Hu, Shengyu Jin, Ji Li, Jiayi Shao, Xuan Yi, Yen‐Hsiang Lin, Jenna C. Walrath, Lei Tong, Xinyu Huang, Rachel S. Goldman, Lei Ye, Gary J. Cheng. Asymmetric 3D Elastic–Plastic Strain‐Modulated Electron Energy Structure in Monolayer Graphene by Laser Shocking . Advanced Materials, 201931 (19): 1900597 DOI: 10.1002/adma.201900597

【2】https://www.purdue.edu/newsroom/releases/2019/Q2/laser-technique-could-unlock-use-of-tough-material-for-next-generation-electronics.html

数字信息化时代的到来加速了硅基芯片更新换代的速率，为了满足设备对大数据运算的需求，芯片厂商采用传统的“增加硅晶体管数量”的方式来提高芯片性能，延续摩尔定律。但硅基芯片的内置可用规格逐渐逼近天花板，寻找一种能够替代硅元素地位的新型元素，成为未来半导体进步的必要前提。

我是柏柏说 科技 ，资深半导体 科技 爱好者。本期为大家带来的资讯是：IMEC举办的IEEE会议。延续摩尔定律，2纳米以下芯片的关键原料，决定未来半导体发展方向的国产石墨烯技术。

老规矩，开门见山。针对硅基芯片内置规格有限，IMEC在2021年召开的“IEEE国际芯片导线技术会议”提出了几种可用来延续未来摩尔定律的异质整合方法。值得一提的是：IEEE会议提出的异质整合方法大多都是建立在石墨烯材料基础上的。

口说无凭，IMEC在IEEE会中提出的异质整合方法有哪些呢？芯片制造后端制程采用通孔混合异端金属布线、半镶嵌制程、零通孔结构解决因硅基晶体管数量增多产生的布线拥塞，讯号迟缓问题。由于石墨烯材料具备优良的导电性、导热性以及电子活泼性等良好特性；成为IEEE的首选研究对象。

其它质量因素采用钴、钌、钨、铝镍合金、钌钒合金等有序二元介金属化合物代替传统的硅晶圆，用来解决导线层布线冗杂等布局问题。补充一点，这里说的质量因素指代块材电阻与金属内部载子平均自由路径。需要注意的是，上述提到的这些都是建立在“将石墨烯材料作为金属材料的氧化阻障层、超薄扩散阻障层”的理论模型上的。

也就是说，IMEC在IEEE会中提出的异质整合方法，其包含的能够解决2纳米以下制程芯片导线冗杂方法，诸如在铜等金属中混杂石墨烯或是在掺杂金属元素的方案，其作用对象都是石墨烯材料。之所以朝石墨烯中加入金属元素，是为了提高石墨烯的载流子浓度。需要注意的是，石墨烯材料是导电的，但是石墨烯的导电率是由电子迁移率决定的。

研究中，IEEE将包含化学气相沉积的多层石墨烯薄膜，成功转移到5纳米的钌金属薄膜上，将钌与石墨烯制程组件结构，发现石墨烯可以完全的依附在钌金属薄膜上。这也证明了石墨烯材料可以通过掺杂金属物的方式，来将其用于高精尖芯片的制造中。包括后续对钌、石墨烯制成物进行封装等试验过程，全都在一定程度上证实了石墨烯将可能成为未来延续摩尔定律的最佳材料。

与我们在锗基、硅基等第一代半导体材料中被国外核心技术“卡脖子”的处境不同；我国在第二代、第三代半导体材料中的技术位居世界一流。而属于第三代半导体材料的石墨烯，是我国未来发展半导体行业的“一张王牌”。中科院早在2020年10月16日，便已经实现了8英寸石墨烯晶圆的量产。

毫不夸张地说，石墨烯有望成为用于延续未来摩尔定律的新型材料，我国的石墨烯技术将成为未来全球半导体原材料的重要组成部分。这次IEEE通过将钌、钴等元素混杂到石墨烯晶圆中的试验，也为后续半导体产业链朝石墨烯方向变更提供了一定的基础理论。

拿目前我国实现产业链自主化的28纳米制程举例；石墨烯材料优于硅基材料的内置架空性与导电性、散热性，决定了石墨烯芯片优于硅基芯片。同为28纳米制程的石墨烯芯片，其性能是硅基芯片的5~10倍。也就是说，28纳米制程的石墨烯芯片，其性能表现媲美采用5纳米到3纳米制程的硅基芯片。

简单来说，如果日后石墨烯晶圆能够实现大批量生产，与之相匹配的产业链逐步完善。我们完全可以避开国外的EUV光刻机，来生产出质量更优、性能更高、成本更低的芯片。毕竟我国是第一个实现8英寸晶圆量产的国家。

当然，以目前的现状来看，硅基半导体芯片依旧是主流。28纳米制程的半导体芯片占半导体芯片市场的60%。但不同于硅晶体提炼方法，高质量的石墨烯材料其适宜的成长温度在900 到1000 之间。此外，通过加入金属元素来提高电阻的做法虽说可以有效控制石墨烯材料的电子活性，但对比硅基材料，石墨烯材料的时间、经济成本都比较高。

虽说不如云南大学的硫化铂成本高，但对于一家企业来说，设备链更替所需要的成本已经够高了。更何况用于芯片制造的原料，其量产规模很大。额外的成本往往也是很多企业难以承受的。例如中芯国际曾在客户互动平台上表示（上图），考虑到时间、资金成本，公司暂无石墨烯晶圆业务。

我们应该在继续发展硅基半导体的基础上，着手未来石墨烯晶圆设备链的攻坚，着眼未来的同时也要把握当下。祝愿国产半导体厂商愈发强大，在半导体领域中早日掌握核心技术。

对于“国产半导体行业日趋成熟的石墨烯技术”，大伙有什么想说的呢？你认为石墨烯技术能否助力我国在半导体领域中实现高精尖制程芯片自给自足的目标呢？欢迎在下方留言、评论。

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