2016年，全球半導(dǎo)體銷(xiāo)售額達(dá)到最高，為3390億美元。與此同時(shí)，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)在芯片上的投入約為72億美元，作為微電子元件的基板，這些芯片可以用來(lái)制作晶體管、發(fā)光半導(dǎo)體和其他電子元器件。

在半導(dǎo)體銷(xiāo)售額不斷增長(zhǎng)的今天，如何能夠更好的減少的隨之而來(lái)的在半導(dǎo)體芯片方面的投入是未來(lái)不得不面對(duì)的問(wèn)題。目前很多廠(chǎng)商和研究機(jī)構(gòu)都在尋找新的方法。

近日，由麻省理工學(xué)院的工程師研制的一種新技術(shù)，可以大大減少晶圓技術(shù)的投入，與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體工藝相比，這種技術(shù)能夠使設(shè)備更加多元化和更高的性能。

在《自然》雜志上公布的這項(xiàng)新技術(shù)使用的是石墨烯材料——單原子層石墨——就如同復(fù)制機(jī)器一般能夠?qū)⒌讓拥牟牧闲阅軓?fù)制到頂層。

什么是石墨烯材料

石墨烯是一種二維晶體，人們常見(jiàn)的石墨是由一層層以蜂窩狀有序排列的平面碳原子堆疊而形成的，石墨的層間作用力較弱，很容易互相剝離，形成薄薄的石墨片。當(dāng)把石墨片剝成單層之后，這種只有一個(gè)碳原子厚度的單層就是石墨烯。

自從石墨烯在2003年被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，研究者發(fā)現(xiàn)它具有優(yōu)異的強(qiáng)度、導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性。最后一種性質(zhì)使得這種材料非常適合用來(lái)制作電路中的微小接觸點(diǎn)，但最理想是用石墨烯自己制成電子元件——特別是晶體管。

要做到這點(diǎn)，石墨烯不僅需要充當(dāng)導(dǎo)體，也要有半導(dǎo)體的功能，這是電子元件需要進(jìn)行的通斷切換操作的關(guān)鍵。半導(dǎo)體由其帶隙所定義的，帶隙指的是激發(fā)一個(gè)電子，讓它從不能導(dǎo)電的價(jià)帶躍遷到可以導(dǎo)電的導(dǎo)帶所需要的能量。帶隙必須足夠大，這樣來(lái)使得晶體管開(kāi)和關(guān)之間的狀態(tài)才對(duì)比明顯，這樣它才能準(zhǔn)確無(wú)誤地處理信息。

常規(guī)的石墨烯是沒(méi)有帶隙的——它特殊的波紋狀價(jià)帶和導(dǎo)帶實(shí)際上是連在一起的，這使得它更像是金屬。盡管如此，科學(xué)家們?cè)噲D分開(kāi)這兩個(gè)帶。通過(guò)把石墨烯制造成奇特的形狀，如帶狀，目前最高可以讓帶隙達(dá)到100meV，但這對(duì)電子工程應(yīng)用來(lái)說(shuō)還是太小了。

相對(duì)于通過(guò)前端設(shè)計(jì)提升微結(jié)構(gòu)來(lái)提高芯片性能，通過(guò)后端設(shè)計(jì)來(lái)提升主頻顯然更加簡(jiǎn)單粗暴，研發(fā)周期也更短(微結(jié)構(gòu)研發(fā)一般要3年)，更適合商業(yè)推廣。

硅基材料集成電路主頻越高，熱量也隨之提高，并最終撞上功耗墻。目前硅基芯片最高的頻率是在液氮環(huán)境下實(shí)現(xiàn)的8.4G，日常使用的桌面芯片主頻基本在3G到4G，筆記本電腦為了控制CPU功耗，主頻普遍控制在2G到3G之間。

但如果使用石墨烯材料，那么結(jié)果就可能不同了。因?yàn)橄鄬?duì)于現(xiàn)在普遍使用的硅基材料，石墨烯在室溫下?lián)碛?0倍的高載流子遷移率，同時(shí)具有非常好的導(dǎo)熱性能，芯片的主頻理論上可以達(dá)到300G，并且有比硅基芯片更低的功耗——早在幾年前，IBM在實(shí)驗(yàn)室中的石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管主頻達(dá)155G。

因此，在前端設(shè)計(jì)水平相當(dāng)?shù)那闆r下，使用石墨烯制造的芯片要比使用硅基材料的芯片性能強(qiáng)幾十倍，隨著技術(shù)發(fā)展，進(jìn)一步挖掘潛力，性能可能會(huì)是傳統(tǒng)硅基芯片的上百倍！同時(shí)還擁有更低的功耗。

石墨烯在半導(dǎo)體領(lǐng)域的應(yīng)用

作為新興材料，石墨烯能廣泛應(yīng)用于燃料電池、材料改性、防銹防滑、海水淡化、特種工業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域，這已經(jīng)是業(yè)界共識(shí)。事實(shí)上，由于在已知材料中電阻率最小、導(dǎo)熱系數(shù)最高，所以石墨烯被認(rèn)為是最理想的電極和半導(dǎo)體材料，其最佳、最具潛力的應(yīng)用是成為“硅”的替代品，用來(lái)制造超微型晶體管，生產(chǎn)未來(lái)的超級(jí)計(jì)算機(jī)。

眾所周知，過(guò)去幾十年，硅幾乎是制造芯片的唯一選擇，以硅為材料的各類(lèi)型芯片在制程工藝上快要達(dá)到了物理極限（7納米），這極大的限制了各類(lèi)計(jì)算芯片處理性能的提升。然而，科技永遠(yuǎn)是在進(jìn)步的，石墨烯的問(wèn)世或許能有效的解決硅基材料的物理極限問(wèn)題。那么，石墨烯在電極和半導(dǎo)體領(lǐng)域究竟能做哪些事情呢？

1、光電半導(dǎo)體產(chǎn)品。以其非常好的透光性、導(dǎo)電性和可彎曲性，在觸摸屏、可穿戴設(shè)備、OLED等領(lǐng)域中發(fā)揮作用。這也是目前公認(rèn)最可能首先實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的領(lǐng)域。

2、制造傳感器。石墨烯因其獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)，且具有體積小、表面積大、靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間短等特點(diǎn)，能提升傳感器的各項(xiàng)性能。隨著物聯(lián)網(wǎng)和和可穿戴技術(shù)的不斷發(fā)展，未來(lái)對(duì)傳感器的需求將會(huì)越來(lái)越高，相信石墨烯能夠扮演不錯(cuò)的角色。

3、微電子器件。由于物理極限的限制，石墨烯在未來(lái)的晶圓、計(jì)算芯片以及各類(lèi)型的微電子器件中都能擔(dān)當(dāng)大任，并發(fā)揮其獨(dú)特的性能。

舉例來(lái)說(shuō)，目前主流的4G系統(tǒng)基站雖然已經(jīng)采用了負(fù)責(zé)基帶處理的BBU+負(fù)責(zé)射頻的RRU通過(guò)光纖拉遠(yuǎn)的架構(gòu)，但由于機(jī)房站址資源日益稀缺和高成本，將BBU集中設(shè)置以節(jié)省機(jī)房的需求越來(lái)越強(qiáng)烈，同時(shí)也要求對(duì)基帶資源共享、集中調(diào)度等功能的實(shí)現(xiàn)。

由于基帶信號(hào)對(duì)帶寬和各項(xiàng)處理資源的消耗很大，現(xiàn)有芯片和背板處理速度根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模的基帶資源集中調(diào)度和共享，同時(shí)在散熱、功耗等方面也面臨很大挑戰(zhàn)。

若采用石墨烯材料，不但芯片處理能力、數(shù)據(jù)交換速率能得到大幅提升，石墨烯良好的導(dǎo)熱、導(dǎo)電和耐溫特性也使得在散熱、功耗方面的要求降低，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)處理能力達(dá)到上萬(wàn)載頻的集中式基帶資源池。

目前，不少研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)已經(jīng)開(kāi)始將石墨烯技術(shù)應(yīng)用到半導(dǎo)體領(lǐng)域了。諸如，新加坡南洋理工大學(xué)開(kāi)發(fā)的敏感度是普通傳感器1000倍的石墨烯光傳感器；美國(guó)哥倫比亞大學(xué)研發(fā)出的石墨烯-硅光電混合芯片；IBM研究人員開(kāi)發(fā)出的石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管等等，都為石墨烯在半導(dǎo)體領(lǐng)域的應(yīng)用指明了方向。

不一樣的石墨烯應(yīng)用技術(shù)

近年來(lái)，與石墨烯相關(guān)的研究和產(chǎn)業(yè)化正在持續(xù)升溫。

歐盟委員會(huì)在2013年將石墨烯列為“未來(lái)新興技術(shù)旗艦項(xiàng)目”之一，該項(xiàng)目的研究范圍十分廣泛，其中石墨烯的制備是核心；韓國(guó)政府則投入研發(fā)費(fèi)用14億美元，把石墨烯材料及產(chǎn)品定為未來(lái)革新產(chǎn)業(yè)之一；從2006年開(kāi)始，美國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金資助的石墨烯相關(guān)項(xiàng)目達(dá)到兩百多項(xiàng)；而日本學(xué)術(shù)振興機(jī)構(gòu)也從2007年起開(kāi)始對(duì)石墨烯相關(guān)材料、器件技術(shù)進(jìn)行資助。

按照最新公布的技術(shù)，工程師已經(jīng)精心設(shè)計(jì)了控制程序，將單層的石墨烯材料放在價(jià)格昂貴的晶圓上，然后在這些石墨烯層面上生成半導(dǎo)體材料。

這些工程師發(fā)現(xiàn)，石墨烯有非常良好的性能，使頂層的材料性能完全復(fù)制到底層的晶體，所印制的圖案完全不受石墨烯的影響。

石墨烯的性能也非常“平滑”，這使得石墨烯很能與其他材料融合，這樣工程師就能夠非常簡(jiǎn)單的將頂層的晶圓從石墨烯上剝離。

JeehwanKim，在機(jī)械工程和材料科學(xué)的課程上曾經(jīng)表示，傳統(tǒng)的半導(dǎo)體生成襯底，在生成半導(dǎo)體晶圓的時(shí)候，具有很強(qiáng)的粘性，這就是的，在不損害上下兩層晶圓的情況下將襯底剝離幾乎是不可能的事情。

Kim表示：“最終我們不得不犧牲其中一層，最終會(huì)黏著在設(shè)備上。”

隨著新技術(shù)的廠(chǎng)商，Kim認(rèn)為，未來(lái)，制造商能夠使用石墨烯作為襯底，在襯底上生成晶圓。這種方法，除了可以節(jié)省晶圓的成本之外，也能夠?yàn)榘雽?dǎo)體材料開(kāi)拓更多的機(jī)會(huì)。

“半導(dǎo)體行業(yè)現(xiàn)在已經(jīng)硅晶圓所束縛，由于成本的原因，即使我們知道有很好的方法來(lái)提高性能，也無(wú)法將其用于商業(yè)。”Kim表示，“現(xiàn)在這種材料將能夠使我們?cè)诎雽?dǎo)體的材料選擇和性能方面更加自由。”

從電學(xué)特性到機(jī)械特性的轉(zhuǎn)變

自從2004年發(fā)現(xiàn)石墨烯材料以來(lái)，研究人員一直致力于研究其電學(xué)特性，以期提高電子器件的性能，降低成本。石墨烯是一種非常好的材料，電流在流過(guò)石墨烯之后幾乎沒(méi)有什么損耗。

基于這個(gè)原因，研究人員一直致力于將石墨烯做成廉價(jià)、高性能的半導(dǎo)體的方法。

Kim表示，人們希望我們能夠找到方法將石墨烯制作成真正的電子設(shè)備，但是事實(shí)證明，這是一件非常困難的事情。

事實(shí)上，阻止電子流過(guò)石墨烯層是非常困難的，這種也行使得石墨烯能夠成為一種非常好的導(dǎo)體，但是做半導(dǎo)體性能就很差。

Kim的團(tuán)隊(duì)采用了一種全新的方法，使得在半導(dǎo)體中使用石墨烯成為現(xiàn)實(shí)。研究人員轉(zhuǎn)變了思路，沒(méi)有過(guò)多的關(guān)注石墨烯的點(diǎn)穴特性，而是專(zhuān)注于研究石墨烯的機(jī)械特性。

“我們非常有信心能夠在半導(dǎo)體中使用石墨烯材料，這是基于石墨烯良好的材料特性。”Kim表示。

“非常有趣的是，石墨烯內(nèi)部只有很弱的范德華力，這意味著石墨烯在垂直方向上沒(méi)有很大的引力，所以石墨烯的表面會(huì)很滑。”

石墨烯的復(fù)制與剝離

該團(tuán)隊(duì)表示，超薄的石墨烯層能夠擁有非常好的特性，可以?shī)A在襯底和半導(dǎo)體層之間，為其提供一個(gè)幾乎難以察覺(jué)的表面，允許半導(dǎo)體材料中的原子重新排列，形成性能非常好的半導(dǎo)體材料。

這一方法一旦被采用，在石墨烯上印制半導(dǎo)體材料之后，制造商能夠很容易的將石墨烯材料剝離，這一方法能夠極大的降低晶圓的損耗。

研究小組還發(fā)現(xiàn)，這一名為“遠(yuǎn)程外延”的技術(shù)，能夠成功的復(fù)制和剝離來(lái)自另一半導(dǎo)體層的半導(dǎo)體特性。

研究人員已經(jīng)成功的將這一方法應(yīng)用于晶圓和半導(dǎo)體材料中，包括磷化銦，磷化鎵等多種比硅還要昂貴的材料。

Kim表示，這項(xiàng)技術(shù)在理論上能夠是制造上無(wú)限次的重復(fù)使用晶圓——從硅和半導(dǎo)體材料的角度。

“這是一種非常特別的石墨烯使用方法。”石墨烯材料研究的先驅(qū)，哈佛大徐的物理學(xué)教授，PhilipKim在談到這一技術(shù)時(shí)表示，即便他并沒(méi)有參加這一研究小組。“這一技術(shù)能夠很容易的整合到現(xiàn)有的半導(dǎo)體制造過(guò)程中去，并能夠徹底的改變半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)的生成方式，從而形成全新的電子元器件和光學(xué)器件。”