當(dāng)前，廣泛應(yīng)用于全球眾多領(lǐng)域的芯片，長(zhǎng)期由美國(guó)為首的少數(shù)西方國(guó)家壟斷和控制，美國(guó)不僅擁有全球一流的研制和設(shè)計(jì)人才，而且，壟斷了研發(fā)芯片材料的核心技術(shù)及生產(chǎn)設(shè)備，即使允許向國(guó)外出口低端生產(chǎn)和加工設(shè)備，其價(jià)格也十分昂貴。因此，作為像中國(guó)一樣的發(fā)展中國(guó)家，雖然花大價(jià)錢(qián)進(jìn)口生產(chǎn)加工低端芯片的生產(chǎn)設(shè)備，但是，由于不掌握芯片材料的核心技術(shù)，只能長(zhǎng)期步其后塵。

　　結(jié)束“中國(guó)芯痛”現(xiàn)狀唯一出路是：由國(guó)家協(xié)調(diào)聚集現(xiàn)有的經(jīng)驗(yàn)和國(guó)際一流人才，整合國(guó)內(nèi)研發(fā)力量，加快研發(fā)第二代芯片材料和應(yīng)用步伐，各級(jí)政府在政策上給予必要的政策扶持和資金投入。

　　芯片材料國(guó)產(chǎn)化道路艱難

　　據(jù)業(yè)內(nèi)人士介紹，作為廣泛應(yīng)用的半導(dǎo)體材料——硅芯片為單元素材料，屬于第一代芯片材料；而砷化鎵、磷化銦為合成元素材料，屬于第二代芯片材料。第二代芯片材料與第一代芯片材料相比，物理性能優(yōu)越，具有禁帶寬度大、電子遷移率高的特點(diǎn)。隨著高溫大功率電子器件和高頻微波器件材料迅速發(fā)展，第二代芯片材料需求量大增，戰(zhàn)略意義越來(lái)越重大。

　　目前，居全球壟斷地位發(fā)展成熟的芯片，均出自第一代芯片材料。但是同時(shí)，美國(guó)、德國(guó)、以色列、日本等國(guó)家也相當(dāng)重視第二代芯片材料的研發(fā)，并將其作為戰(zhàn)略性?xún)?chǔ)備技術(shù)，多用于特種領(lǐng)域，對(duì)包括中國(guó)在內(nèi)的國(guó)家嚴(yán)格禁運(yùn)。美國(guó)商務(wù)部2015年4月決定對(duì)中國(guó)4家機(jī)構(gòu)限售“至強(qiáng)”芯片，就是其長(zhǎng)期對(duì)中國(guó)禁運(yùn)高端芯片材料政策的體現(xiàn)。

　　近年來(lái)，中國(guó)出臺(tái)一系列措施大力推動(dòng)芯片材料國(guó)產(chǎn)化，特別是第二代化合物芯片技術(shù)的出現(xiàn)，為打破美歐在芯片材料領(lǐng)域的壟斷提供了契機(jī)。一些科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)合作，從第二代芯片材料研發(fā)起步，開(kāi)始取得突破和進(jìn)展，有的不僅研制出基于第二代芯片材料的芯片設(shè)計(jì)和生產(chǎn)技術(shù)，而且，開(kāi)發(fā)出第二代芯片材料生產(chǎn)設(shè)備，擁有了自己的知識(shí)產(chǎn)權(quán)專(zhuān)利。

　　但是，技術(shù)方面的突破不等于產(chǎn)業(yè)方面的突破。信息產(chǎn)業(yè)人士周知，當(dāng)前國(guó)內(nèi)外集成電路產(chǎn)業(yè)的一大嚴(yán)峻現(xiàn)狀是：“國(guó)際產(chǎn)能飽和，本土產(chǎn)能缺乏”。近幾年來(lái)，中國(guó)政府出臺(tái)眾多扶持政策，大力發(fā)展信息產(chǎn)業(yè)，但芯片材料國(guó)產(chǎn)化道路依然艱難緩慢。

　　中國(guó)的有利因素在于，中國(guó)擁有全球最大、增長(zhǎng)最快的集成電路市場(chǎng)，2013年規(guī)模達(dá)9166億元，占全球市場(chǎng)份額的50％。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式的轉(zhuǎn)變、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的加快調(diào)整，以及新型工業(yè)化、信息化、城鎮(zhèn)化、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化同步發(fā)展，對(duì)集成電路需求將大幅增長(zhǎng)。但劣勢(shì)也很明顯，多年來(lái)，中國(guó)芯片材料產(chǎn)業(yè)投資規(guī)模不足，2008年至2013年，中國(guó)集成電路行業(yè)固定資產(chǎn)投資總量?jī)H400億美元（1美元約合6.32元人民幣）左右，而美國(guó)英特爾公司一家2013年投資就達(dá)130億美元。隨著中央和地方集成電路投資基金的成立，本土產(chǎn)業(yè)有望獲得重金支持，但是，由于實(shí)際情況并不樂(lè)觀(guān)，芯片材料國(guó)產(chǎn)化，特別是高端芯片材料國(guó)產(chǎn)化仍步履艱難和徘徊不前。對(duì)此，業(yè)內(nèi)人士不斷發(fā)出“中國(guó)芯痛”的感慨。

　　長(zhǎng)期“沉淪”于第一代芯片

　　資料顯示，2013年，居全球芯片材料研發(fā)領(lǐng)域首位的美國(guó)高通公司營(yíng)收益近250億美元，其中，近一半來(lái)自龐大的中國(guó)市場(chǎng)。中國(guó)雖然有號(hào)稱(chēng)600家芯片設(shè)計(jì)公司，但是，芯片材料嚴(yán)重依賴(lài)進(jìn)口，所有產(chǎn)品均屬于中低端產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)年?duì)I收益超過(guò)10億美元的廠(chǎng)家寥寥無(wú)幾。據(jù)資料顯示，2013年，中國(guó)集成電路進(jìn)口金額高達(dá)2313億美元，2014年2184億美元，多年來(lái)與石油一起位列最大兩宗進(jìn)口商品。中國(guó)生產(chǎn)手機(jī)、計(jì)算機(jī)、彩電，由于主要以整機(jī)制造為主，以集成電路和軟件為核心的價(jià)值鏈核心環(huán)節(jié)缺失，致使行業(yè)平均利潤(rùn)僅為4.5％，低于工業(yè)平均水平1.6個(gè)百分點(diǎn)。

　　2015年2月10日，中國(guó)國(guó)家發(fā)改委決定對(duì)美國(guó)高通公司進(jìn)行反壟斷處罰，其罰款高達(dá)人民幣60.88億元，約合9.75億美元，同時(shí)，還公布了高通公司在中國(guó)實(shí)行壟斷的證據(jù)。美國(guó)高通公司之所以明目張膽地違反世貿(mào)規(guī)定，在中國(guó)實(shí)行行業(yè)壟斷措施，問(wèn)題就在于中國(guó)沒(méi)有實(shí)現(xiàn)高端芯片材料國(guó)產(chǎn)化。

　　國(guó)家出于信息安全的考慮，將芯片材料國(guó)產(chǎn)化作為一項(xiàng)事關(guān)國(guó)計(jì)民生的重大戰(zhàn)略，建立了上千億元的基金資助，但是，發(fā)展國(guó)產(chǎn)芯片材料至今步履維艱，其中，根本原因在于，由于第一代芯片材料生產(chǎn)加工投資十分巨大，一條生產(chǎn)線(xiàn)就需要十億、幾十億、上百億美元，而且，只能引進(jìn)發(fā)達(dá)國(guó)家的淘汰設(shè)備，因此，芯片材料國(guó)產(chǎn)化仍遙遙無(wú)期。此外，對(duì)生產(chǎn)企業(yè)來(lái)說(shuō)，研發(fā)第二代芯片材料前期投入是天文數(shù)字，況且，有可能血本無(wú)回。因此，寧可高價(jià)進(jìn)口第一代芯片材料，也不愿投入第二代芯片材料研發(fā)。而這狀況只能造成中國(guó)步發(fā)達(dá)國(guó)家后塵，難以找到新的出路。

　　有專(zhuān)家撰文說(shuō)，在過(guò)去政策中，有關(guān)部門(mén)對(duì)集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，強(qiáng)調(diào)空白技術(shù)突破、國(guó)際專(zhuān)利申請(qǐng)，以及學(xué)術(shù)文章的發(fā)表，好像只要答辯一過(guò)、專(zhuān)利一申、文章一發(fā)，中國(guó)的集成電路產(chǎn)業(yè)就可打破外國(guó)的技術(shù)壟斷；其實(shí)恰恰相反，這些年來(lái)，中國(guó)的集成電路產(chǎn)業(yè)和國(guó)際先進(jìn)水平的差距在不斷擴(kuò)大。

　　美國(guó)不推新一代產(chǎn)品為暴利壟斷

　　長(zhǎng)期以來(lái)，芯片材料研制和生產(chǎn)，不僅是衡量一個(gè)國(guó)家產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力和綜合國(guó)力的重要標(biāo)志，而且是掌握國(guó)家信息安全門(mén)戶(hù)的“鑰匙”。美國(guó)不僅壟斷了第一代芯片材料的研制和相關(guān)裝備制造技術(shù)，而且，早在5年前，便大力開(kāi)發(fā)第二代芯片材料。然而，美國(guó)遲遲不推出新一代產(chǎn)品，利益考量有很多。

　　一是出于暴利壟斷需要。一片直徑八英寸的硅芯片材料，成本僅有100多美元，然而，一條硅芯片材料的生產(chǎn)線(xiàn)，卻要價(jià)10億美元以上，甚至100億美元天價(jià)，而一條第二代芯片材料生產(chǎn)線(xiàn)僅需要數(shù)億美元，顯然，美國(guó)普及新一代芯片材料技術(shù)將失去暴利壟斷地位。

　　二是出于成本回報(bào)需要。美國(guó)在國(guó)內(nèi)外建立了眾多生產(chǎn)廠(chǎng)家，不僅投入了眾多的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)設(shè)備，而且，為培養(yǎng)相關(guān)的技術(shù)人才注入大量資金。如果推出新一代芯片材料，必須在設(shè)備和人才方面有新的投入，因此，美國(guó)延遲更新?lián)Q代為的是獲取更多利潤(rùn)。

　　三是出于銷(xiāo)售淘汰落后設(shè)備需要。美國(guó)對(duì)生產(chǎn)高端芯片材料的設(shè)備采取壟斷措施，對(duì)于生產(chǎn)高端芯片材料的設(shè)備嚴(yán)格控制；但是，對(duì)中低端設(shè)備，特別是對(duì)進(jìn)入淘汰期的設(shè)備則允許出口，包括中國(guó)在內(nèi)的發(fā)展中國(guó)家，不得不引進(jìn)美國(guó)的芯片生產(chǎn)線(xiàn)，為此付出巨大代價(jià)。

　　四是出于對(duì)特種級(jí)芯片材料禁運(yùn)需要。以美國(guó)為首的西方國(guó)家，一直對(duì)一些國(guó)家實(shí)行嚴(yán)格的特種級(jí)芯片材料禁運(yùn)措施，絕不允許高端芯片材料技術(shù)流失。

　　2015年4月9日，美國(guó)商務(wù)部決定對(duì)以中國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)“天河”為業(yè)務(wù)主機(jī)的三家超級(jí)計(jì)算中心和“天河”的研制者特種科大采取限售措施，限售的產(chǎn)品則直指已在“天河二號(hào)”上裝配近10萬(wàn)的英特爾“至強(qiáng)”ＣＰＵ。據(jù)悉，中國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)“天河二號(hào)”連續(xù)多年蟬聯(lián)世界第一超級(jí)計(jì)算機(jī)的桂冠。

　　業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，超級(jí)計(jì)算機(jī)芯片由于長(zhǎng)時(shí)間高負(fù)荷工作，每隔一段時(shí)間需要更換，因此美國(guó)的制裁對(duì)中國(guó)現(xiàn)有的“天河”系列超級(jí)計(jì)算機(jī)的正常運(yùn)行可能會(huì)產(chǎn)生一定的影響。雖然這個(gè)制裁不難繞過(guò)（“天河二號(hào)”主任設(shè)計(jì)師盧宇彤曾透露，“限售令”的確會(huì)給“天河二號(hào)”升級(jí)計(jì)劃帶來(lái)一定的負(fù)面影響，但升級(jí)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，不可能將成敗完全系于ＣＰＵ——編注），但是，至少會(huì)增加中國(guó)維護(hù)現(xiàn)有超算系統(tǒng)的麻煩和成本。然而，美國(guó)發(fā)起的這場(chǎng)“貿(mào)易戰(zhàn)”并非只對(duì)中國(guó)產(chǎn)生影響，對(duì)生產(chǎn)“至強(qiáng)”芯片材料的英特爾公司而言，這意味著減少大量芯片材料的銷(xiāo)售額。同時(shí)，美國(guó)媒體有報(bào)道認(rèn)為，今后令人關(guān)注的是，這一禁運(yùn)只會(huì)刺激中國(guó)更多使用國(guó)產(chǎn)芯片來(lái)構(gòu)建新型的超級(jí)計(jì)算機(jī)，屆時(shí)，這家美國(guó)企業(yè)將會(huì)被排除出中國(guó)這一領(lǐng)域的市場(chǎng)。美國(guó)政府指責(zé)中國(guó)采用“非市場(chǎng)”手段，將美國(guó)軟硬件巨頭排擠出中國(guó)核心領(lǐng)域市場(chǎng)，而他們現(xiàn)在此舉恰恰會(huì)加速這個(gè)進(jìn)程。

　　二代芯片材料研制期待國(guó)家更多扶持

　　實(shí)踐證明，第二代芯片材料研發(fā)和生產(chǎn)需要資金雖然相當(dāng)巨大，但是低于長(zhǎng)期以來(lái)進(jìn)口第一代芯片材料及生產(chǎn)設(shè)備所需的巨額資金，而聚集和造就一支具有國(guó)際先進(jìn)水平的技術(shù)人才和研發(fā)隊(duì)伍與擴(kuò)大第二代芯片的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒊蔀殛P(guān)鍵，其中，研發(fā)軍民兩用的芯片材料可以成為突破口。

　　鮮為人知的是，中國(guó)相關(guān)機(jī)構(gòu)研發(fā)第二代芯片并非沒(méi)有進(jìn)展，近幾年來(lái)，有關(guān)科研部門(mén)和信息產(chǎn)業(yè)集團(tuán)在第二代芯片材料研發(fā)上取得了歷史性突破。試驗(yàn)結(jié)果表明，中國(guó)自行研發(fā)的第二代芯片材料，其性能和技術(shù)指標(biāo)達(dá)到當(dāng)今國(guó)際先進(jìn)水平。之所以取得如此成績(jī)，是因?yàn)樗麄冊(cè)诳偨Y(jié)芯片材料研發(fā)發(fā)展現(xiàn)狀和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)的基礎(chǔ)上，將目標(biāo)直接定在第二代芯片材料的研發(fā)上，即：在硅元素芯片材料的基礎(chǔ)上，從第二代的芯片材料設(shè)計(jì)和生產(chǎn)起步。如今，他們不僅掌握了屬于第二代芯片材料的芯片設(shè)計(jì)和生產(chǎn)技術(shù)，而且，成功開(kāi)發(fā)出可以批量生產(chǎn)第二代芯片材料的先進(jìn)設(shè)備。

　　據(jù)了解，中國(guó)研發(fā)的第二代芯片材料具有重大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，可廣泛應(yīng)用于無(wú)線(xiàn)通信、無(wú)線(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)、手機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)、智能電網(wǎng)、智能機(jī)器人等，幾乎涉及人類(lèi)現(xiàn)代生活的各個(gè)領(lǐng)域，市場(chǎng)規(guī)模相當(dāng)巨大。

　　業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，打破以美國(guó)為首的西方國(guó)家芯片材料的壟斷，是一項(xiàng)事關(guān)一個(gè)國(guó)家國(guó)計(jì)民生的戰(zhàn)略舉措，希望國(guó)家對(duì)此制訂相應(yīng)的長(zhǎng)期發(fā)展計(jì)劃，整合全國(guó)所有研發(fā)第二代芯片材料的技術(shù)隊(duì)伍，以?xún)?yōu)惠政策聚集世界一流的科技人才。

　　同時(shí)，他們希望，此前已經(jīng)建立的國(guó)家集成電路產(chǎn)業(yè)投資基金和國(guó)家金融部門(mén)，對(duì)第二代芯片材料研發(fā)和批量生產(chǎn)給予政策的支持，如：合理改善進(jìn)口芯片材料及生產(chǎn)加工設(shè)備已經(jīng)形成的利益鏈，重視對(duì)研發(fā)第二代芯片材料的投入等。建議國(guó)家將研發(fā)和生產(chǎn)第二代芯片材料列入“十三五”重大項(xiàng)目予以重點(diǎn)扶持，統(tǒng)籌全國(guó)科研力量，組建研發(fā)第二代芯片材料的國(guó)家團(tuán)隊(duì)，其重要戰(zhàn)略意義絕不亞于當(dāng)年的“兩彈一星”工程。

　　石墨烯芯片和硅芯片相比有什么特性和優(yōu)勢(shì)？

　　目前對(duì)石墨烯的展望有很多，從芯片到電池到燈泡，甚至說(shuō)未來(lái)石墨烯芯片頻率可以達(dá)到300GHz。但對(duì)石墨烯芯片的特性和優(yōu)勢(shì)目前沒(méi)有一個(gè)系統(tǒng)的介紹，比如石墨烯芯片和硅芯片相比在電子遷移中是不是也有損耗發(fā)熱？到達(dá)極限工藝后石墨烯芯片是不是也會(huì)有量子隧穿效應(yīng)？二維的石墨烯是如何做到硅晶體管的柵極開(kāi)關(guān)的？另外拓?fù)浣^緣體和石墨烯是什么關(guān)系？

　　石墨烯因其超薄結(jié)構(gòu)以及優(yōu)異的物理特性,在FET應(yīng)用上展現(xiàn)出了優(yōu)異的性能和誘人的應(yīng)用前景.如Obradovic等研究發(fā)現(xiàn)，與碳納米管相比，石墨烯FET擁有更低的工作電壓﹔Wang等所制備的柵寬10nm以下的石墨烯帶FET的開(kāi)關(guān)比達(dá)10E7﹔Wu等采用熱蒸發(fā)4H-SiC外延生長(zhǎng)的石墨烯制備的FET，其電子和空穴遷移率分別為5400和4400cm2/(V·s)，比傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料如SiC和Si高很多﹔Lin等制備出柵長(zhǎng)為350nm的高性能石墨烯FET，其載流子遷移率為2700cm2/(V·s)，截止頻率為50GHz，并在后續(xù)研究中進(jìn)一步提高到100GHz﹔Liao等所制備的石墨烯FET的跨導(dǎo)達(dá)3.2mS/μm，并獲得了迄今為止最高的截止頻率300GHz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了相同柵長(zhǎng)的Si-FET(~40GHz)。然而,由于石墨烯的本征能隙為零，并且在費(fèi)米能級(jí)處其電導(dǎo)率不會(huì)像一般半導(dǎo)體一樣降為零，而是達(dá)到一個(gè)最小值，這對(duì)于制造晶體管是致命的，為石墨烯始終處于“開(kāi)”的狀態(tài)。

　　另外，帶隙為零意味著無(wú)法制作邏輯電路，這成為石墨烯應(yīng)用于晶體管等器件中的主要困難和挑戰(zhàn)。因此,如何實(shí)現(xiàn)石墨烯能帶的開(kāi)啟與調(diào)控，亟待研究和解決。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，一般采用兩種方法實(shí)現(xiàn)石墨烯能帶的開(kāi)啟與調(diào)控，即﹕摻雜改性和形貌調(diào)控。NatureNanotechnology評(píng)論明確指出﹕要深入挖掘石墨烯的優(yōu)異物理特性，以制備高性能石墨烯FET，其重要基礎(chǔ)和關(guān)鍵之一是獲得寬度與厚度(即層數(shù))可控的高質(zhì)量石墨烯帶狀結(jié)構(gòu)。帶狀石墨烯因其固有而獨(dú)特的狹長(zhǎng)“扶椅”或“之”狀邊緣結(jié)構(gòu)效應(yīng)、量子限域效應(yīng)而具有豐富的能帶結(jié)構(gòu)，其能隙隨著石墨烯的寬度減小而增大，且和石墨烯的厚度密切相關(guān)，成為石墨烯FET溝道材料的理想選擇。

　　納米碳材料，特別是石墨烯具有極其優(yōu)異的電學(xué)、光學(xué)、磁學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)性能，是理想的納電子和光電子材料。石墨烯具有特殊的幾何結(jié)構(gòu)，使得費(fèi)米面附近的電子態(tài)主要為擴(kuò)展π態(tài)。由于沒(méi)有表面懸掛鍵，表面和納米碳結(jié)構(gòu)的缺陷對(duì)擴(kuò)展π態(tài)的散射幾乎不太影響電子在這些材料中的傳輸，室溫下電子和空穴在石墨烯中均具有極高的本征遷移率(大于100000cm2/(V?s))，超出最好的半導(dǎo)體材料(典型的硅場(chǎng)效應(yīng)晶體管的電子遷移率為1000cm2/(V?s))。作為電子材料，石墨烯可以通過(guò)控制其結(jié)構(gòu)得到金屬和半導(dǎo)體性管。在小偏壓的情況下，電子的能量不足以激發(fā)石墨烯中的光學(xué)聲子，但與石墨烯中的聲學(xué)聲子的相互作用又很弱，其平均自由程可長(zhǎng)達(dá)數(shù)微米，使得載流子在典型的幾百納米長(zhǎng)的石墨烯器件中呈現(xiàn)完美的彈道輸運(yùn)特征。典型的金屬性石墨烯中電子的費(fèi)米速度為υF=8×10E5m/s，室溫電阻率為ρ=10E6Ω-cm，性能優(yōu)于最好的金屬導(dǎo)體，例如其電導(dǎo)率超過(guò)銅。由于石墨烯結(jié)構(gòu)中的C–C鍵是自然界中最強(qiáng)的化學(xué)鍵之一，不但具有極佳的導(dǎo)電性能，其熱導(dǎo)率也遠(yuǎn)超已知的最好的熱導(dǎo)體，達(dá)到6000W/mK。此外石墨烯結(jié)構(gòu)沒(méi)有金屬中的那種可以導(dǎo)致原子運(yùn)動(dòng)的低能缺陷或位錯(cuò)，因而可以承受超過(guò)10E9A/cm2的電流，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)集成電路中銅互連線(xiàn)所能承受的10E6A/cm2的上限，是理想的納米尺度的導(dǎo)電材料。理論分析表明，基于石墨烯結(jié)構(gòu)的電子器件可以有非常好的高頻響應(yīng)，對(duì)于彈道輸運(yùn)的晶體管其工作頻率有望超過(guò)THz,性能優(yōu)于所有已知的半導(dǎo)體材料。

　　現(xiàn)代信息技術(shù)的基石是集成電路芯片，而構(gòu)成集成電路芯片的器件中約90%是源于硅基CMOS(complementarymetal-oxide-semiconductor)，互補(bǔ)金屬-氧化物-半導(dǎo)體)技術(shù)，而硅基CMOS技術(shù)的發(fā)展在2005年國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)路線(xiàn)圖(InternationalTechnologyRoadmapforSemiconductors,ITRS)宣布將在2020年達(dá)到其性能極限。原因在CMOS技術(shù)的核心是高性能電子(n-)型和空穴(p-)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管(fieldeffecttransistor,FET)的制備，以及將這兩種互補(bǔ)的場(chǎng)效應(yīng)晶體管集成的技術(shù)。隨著晶體管尺度的縮小，器件加工的均勻性問(wèn)題變得越來(lái)越嚴(yán)重，其中最為重要的是器件的加工精度和摻雜均勻性的問(wèn)題。采用傳統(tǒng)的微電子加工技術(shù)，目前最好的加工精度約為5nm。隨著器件尺度的不斷縮小，對(duì)應(yīng)的晶體管通道的物理長(zhǎng)度僅為十幾納米，場(chǎng)效應(yīng)晶體管源漏電極之間的載流子通道的長(zhǎng)度的不確定性將不再可以忽略不計(jì)，所以半導(dǎo)體材料中的摻雜均勻性問(wèn)題將是另一個(gè)難以克服的問(wèn)題。

　　這個(gè)領(lǐng)域的主流方向一直是沿用硅基技術(shù)的思路，即通過(guò)摻雜，例如K摻雜來(lái)制備石墨烯n型器件，但結(jié)果都不盡如人意。其中主要的問(wèn)題是石墨烯具有一個(gè)非常完美的結(jié)構(gòu)，表面完全沒(méi)有懸掛鍵，一般不和雜質(zhì)原子成鍵，是自然的本征材料。采用與石墨烯結(jié)合較弱的K原子摻雜結(jié)果一是不穩(wěn)定，二是很難控制，不大可能滿(mǎn)足高性能集成電路的要求。2005年美國(guó)Intel公司Chau等人對(duì)納米電子學(xué)的發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行了總結(jié),他們對(duì)石墨烯基器件的主要結(jié)論是:雖然其p型晶體管的性能遠(yuǎn)優(yōu)于相應(yīng)的硅基器件,但其n型石墨烯晶體管的性能則遠(yuǎn)遜于相同尺寸的硅基器件。集成電路的發(fā)展要求性能匹配的p型和n型晶體管，n型碳石墨烯晶體管性能的落后嚴(yán)重制約了石墨烯電子學(xué)的發(fā)展,發(fā)展穩(wěn)定的高性能n型石墨烯器件成了2005年之后石墨烯CMOS電路研究領(lǐng)域最重要的課題之一。

　　從目前石墨烯電子學(xué)已經(jīng)取得的進(jìn)展來(lái)看，至少有兩個(gè)重要的方面是可以確認(rèn)的。

　　第一是石墨烯器件相對(duì)于硅基器件來(lái)說(shuō)具有更好的特性，無(wú)論是速度、功耗還是可縮減性，而且可以被推進(jìn)到8nm甚至5nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)，這正是2020年之后數(shù)字電路的目標(biāo)。

　　第二是石墨烯的數(shù)字集成電路的方案是可行的。在實(shí)驗(yàn)室人們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)各種功能的電路，原則上已經(jīng)可以制備任意復(fù)雜的集成電路，特別是2013年9月26日美國(guó)斯坦福大學(xué)的研究人員在《Natures》雜志上報(bào)道采用碳納米管制造出由178個(gè)晶體管組成的計(jì)算機(jī)原型。雖然目前這個(gè)原型機(jī)尚在功耗、速度方面不能和基于硅芯片模式的先進(jìn)計(jì)算機(jī)比肩，但這項(xiàng)工作在國(guó)際上引起了巨大反響,使得人們看到了碳基電子學(xué)時(shí)代初露的曙光。IBM發(fā)表的系統(tǒng)計(jì)算表明，石墨烯基的芯片不論在性能和功耗方面都將比硅基芯片有大幅改善。例如，從硅基7nm到5nm技術(shù)，芯片速度大約有20%的增加。但石墨烯7nm技術(shù)較硅基7nm技術(shù)速度的提高高達(dá)300%，相當(dāng)15代硅基技術(shù)的改善。

　　目前石墨烯材料的主要挑戰(zhàn)來(lái)源于規(guī)模生產(chǎn)面臨的高可控性材料加工問(wèn)題，即必須在絕緣襯底上定位生長(zhǎng)出所需管徑大小的半導(dǎo)體石墨烯。但是到目前為止，對(duì)石墨烯生長(zhǎng)進(jìn)行嚴(yán)格的控制還是沒(méi)有實(shí)現(xiàn)。另一個(gè)問(wèn)題是供應(yīng)鏈的問(wèn)題，硅的成本及穩(wěn)定性的優(yōu)勢(shì)還在，芯片廠(chǎng)及封裝廠(chǎng)誰(shuí)愿意開(kāi)第一槍?zhuān)妥屛覀兪媚恳源?/p>