近日，中美科學(xué)家首次合成了石墨烯半導(dǎo)體，這是一種可能為下一代超級(jí)計(jì)算機(jī)提供更高性能芯片的重大進(jìn)步。

石墨烯是一種由單層碳原子構(gòu)成的二維材料，它的厚度僅為人類(lèi)頭發(fā)的百萬(wàn)分之一，但卻比鋼鐵更堅(jiān)固，而且具有極高的導(dǎo)電性和抗熱性。

自從 2004 年被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，石墨烯就被譽(yù)為“奇跡材料”，并被寄予了在電子學(xué)、能源、醫(yī)療等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用的期望。

石墨烯的電子性能是其最引人注目的特點(diǎn)之一。石墨烯上的電子可以以接近光速的速度移動(dòng)，這意味著它可以實(shí)現(xiàn)非?？斓男盘?hào)傳輸和數(shù)據(jù)處理。

石墨烯還具有很高的載流子密度，也就是每單位面積上的可移動(dòng)電子的數(shù)量，這決定了它可以承受很大的電流。此外，石墨烯還有很好的熱導(dǎo)率，可以有效地散發(fā)熱量，避免過(guò)熱的問(wèn)題。

這些特性使得石墨烯在電子學(xué)領(lǐng)域有著巨大的潛力，尤其是在計(jì)算機(jī)芯片的制造上。

如果能夠用石墨烯代替硅，那么計(jì)算機(jī)的性能將會(huì)得到極大的提升，同時(shí)也能夠節(jié)省能源和空間，實(shí)現(xiàn)更高效和更小型的電子設(shè)備。


硅材料的限制

從第一臺(tái)晶體管電視的出現(xiàn)，到如今的超大規(guī)模集成電路（VLSI），硅一直是我們信賴的伙伴。在過(guò)去的幾十年里，硅已經(jīng)在半導(dǎo)體制程中取得了無(wú)數(shù)的成功，支持了各種各樣的電子設(shè)備。

然而，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，硅面臨著越來(lái)越大的挑戰(zhàn)。


A. 物理限制：微型化的挑戰(zhàn)

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步，設(shè)備的微型化已成為制程發(fā)展的重要趨勢(shì)。然而，硅作為半導(dǎo)體材料，面臨著微型化的物理限制。這個(gè)問(wèn)題被稱為摩爾定律的盡頭。

摩爾定律預(yù)測(cè)，半導(dǎo)體設(shè)備的集成度每18到24個(gè)月就會(huì)翻倍。換句話說(shuō)，隨著制程技術(shù)的發(fā)展，晶體管的尺寸會(huì)越來(lái)越小。然而，當(dāng)晶體管的尺寸縮小到一定程度，即接近硅原子的大小時(shí)，量子效應(yīng)開(kāi)始顯現(xiàn)，使得傳統(tǒng)的物理規(guī)則失效。這使得晶體管的性能無(wú)法通過(guò)進(jìn)一步微型化得到提升，甚至可能因?yàn)榱孔铀泶┬?yīng)導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)錯(cuò)誤。


B. 經(jīng)濟(jì)限制：制程復(fù)雜性和成本問(wèn)題

隨著半導(dǎo)體制程技術(shù)的進(jìn)步，設(shè)備的制造過(guò)程也變得越來(lái)越復(fù)雜。例如，目前最先進(jìn)的極紫外線（EUV）光刻技術(shù)，需要復(fù)雜的設(shè)備和高精度的操作，大大增加了制造過(guò)程的復(fù)雜性和成本。據(jù)估計(jì)，10納米以下的制程，每個(gè)晶圓工廠的建設(shè)成本可能高達(dá)數(shù)十億美元。

此外，隨著設(shè)備微型化，設(shè)備的制造難度也在不斷增加，導(dǎo)致廢品率的上升，從而進(jìn)一步增加了制造成本。因此，即使硅作為原料相對(duì)便宜，但由于制程的復(fù)雜性和高成本，硅的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)正在逐漸減弱。

C. 性能限制：功耗、頻率等方面的問(wèn)題

在性能方面，硅也面臨著一些限制。一方面，隨著設(shè)備微型化，晶體管的功耗問(wèn)題變得越來(lái)越嚴(yán)重。由于硅的亞微米特性，導(dǎo)致晶體管在關(guān)閉狀態(tài)下仍然會(huì)有一定的漏電流，這使得設(shè)備的功耗在微型化的過(guò)程中不斷增加。

另一方面，硅晶體管的工作頻率也面臨著限制。隨著制程技術(shù)的發(fā)展，硅晶體管的尺寸越來(lái)越小，但是它的工作頻率并沒(méi)有相應(yīng)地提高。這是因?yàn)?，?dāng)晶體管的尺寸縮小，其內(nèi)部的電阻和電容會(huì)增加，使得晶體管的開(kāi)關(guān)速度受到限制，從而限制了設(shè)備的工作頻率。


第三代半導(dǎo)體材料崛起

隨著4G、5G通訊的迅速發(fā)展、同時(shí)人類(lèi)生產(chǎn)生活科技化與信息化程度越來(lái)越高，電子信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)在近幾十年呈現(xiàn)迅速發(fā)展態(tài)勢(shì)。而在技術(shù)迅猛發(fā)展的背后，是半導(dǎo)體材料的三次重要階段性發(fā)展。第一代半導(dǎo)體材料以硅（Si）和鍺（Ge）為代表，已在集成電路、航空航天、新能源和硅光伏產(chǎn)業(yè)中得到廣泛應(yīng)用并取得了卓越成效，目前仍是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的主流。隨后，以砷化鎵（GaAs）和磷化銦（InP）為代表的第二代化合物半導(dǎo)體材料因其在高頻、高效率和低噪聲指數(shù)等方面遠(yuǎn)超于Si，被廣泛應(yīng)用于微波毫米波器件以及發(fā)光器件中，主要用于制備高頻、高速、大功率和發(fā)光電子器件。然而，隨著未來(lái)電子器件在更高頻率、更高功率和更高集成度等方面的要求，第一、二代半導(dǎo)體材料由于其自身材料固有特性的限制已變得力不從心。

在這種情況下，第三代化合物半導(dǎo)體材料——碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）等材料進(jìn)入了大眾的視線。與前兩代半導(dǎo)體材料相比，寬禁帶半導(dǎo)體材料因其在禁帶寬度和擊穿場(chǎng)強(qiáng)等方面的優(yōu)勢(shì)以及耐高溫、耐腐蝕、抗輻射等特點(diǎn)，非常適合更小體積、更輕重量、更高效率、更大功率的電子電力器件制備，在無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施、軍事和宇航、衛(wèi)星通信和功率轉(zhuǎn)換等高頻、高溫、高功率工作領(lǐng)域有著顯著的優(yōu)勢(shì)，是5G移動(dòng)通信、新能源汽車(chē)、智慧電網(wǎng)等前沿創(chuàng)新領(lǐng)域的首選核心材料和器件，已成為當(dāng)今世界各國(guó)爭(zhēng)相研究的科研熱點(diǎn)和重點(diǎn)。從目前來(lái)看，研究較為成熟的是SiC和GaN材料。


硅以外的半導(dǎo)體材料選擇

A. III-V族半導(dǎo)體：性能優(yōu)勢(shì)與制程挑戰(zhàn)

III-V族半導(dǎo)體是指元素周期表中III族和V族元素組成的半導(dǎo)體材料，如砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）等。相比于硅，III-V族半導(dǎo)體擁有更高的電子遷移率，這意味著在相同的電壓下，電子在III-V族半導(dǎo)體中的運(yùn)動(dòng)速度更快，因此可以實(shí)現(xiàn)更高的開(kāi)關(guān)速度和更低的功耗。然而，III-V族半導(dǎo)體的制程技術(shù)復(fù)雜，與現(xiàn)有的硅基工藝兼容性差，這大大增加了其工業(yè)化應(yīng)用的難度。

B. 鐵電材料：低功耗的可能性

鐵電材料是指具有自發(fā)極化并且這種極化可以被電場(chǎng)反轉(zhuǎn)的材料。鐵電RAM（FeRAM）就是利用鐵電材料的這種特性制成的。FeRAM在數(shù)據(jù)讀取和寫(xiě)入時(shí)的功耗極低，且能實(shí)現(xiàn)非易失性存儲(chǔ)。目前，F(xiàn)eRAM主要用于低功耗和高速度的內(nèi)存應(yīng)用，但其潛力還遠(yuǎn)未被完全挖掘。


C. 二維材料：潛力與挑戰(zhàn)

二維材料是指在三維空間中只有兩個(gè)維度大于原子尺度的材料，例如石墨烯。石墨烯具有超高的電子遷移率、優(yōu)異的熱導(dǎo)率以及良好的機(jī)械強(qiáng)度等特性，被認(rèn)為是硅的理想替代者。然而，石墨烯無(wú)能隙特性使得其在邏輯應(yīng)用中面臨困難，同時(shí)其生產(chǎn)工藝復(fù)雜，大面積生產(chǎn)難度高。


D. 有機(jī)半導(dǎo)體：靈活性和環(huán)境友好性

有機(jī)半導(dǎo)體是由有機(jī)分子或聚合物構(gòu)成的半導(dǎo)體材料，如有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管（OFETs）等。有機(jī)半導(dǎo)體具有質(zhì)輕、柔韌、可制備透明以及生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)，非常適合于制作柔性電子設(shè)備。然而，有機(jī)半導(dǎo)體的穩(wěn)定性和電子遷移率通常低于無(wú)機(jī)半導(dǎo)體，因此在性能上還需進(jìn)一步提高。


E. 新型材料：拓?fù)洳牧?、氮化鎵?/span>

拓?fù)洳牧鲜侵敢活?lèi)新型的量子材料，它們的表面態(tài)是無(wú)能隙的，而體態(tài)是有能隙的。這種特性使得拓?fù)洳牧嫌锌赡苡糜谥圃旄凸摹⒏咝阅艿碾娮釉O(shè)備。

氮化鎵（GaN）是一種寬帶隙半導(dǎo)體材料，具有高熱導(dǎo)率、高電子飽和速度以及高擊穿電場(chǎng)等特性，適用于高頻、高功率和高溫應(yīng)用。

以上各種半導(dǎo)體材料，都有可能成為硅的替代者，但同時(shí)也面臨著各自的挑戰(zhàn)。在選擇適合的半導(dǎo)體材料時(shí)，需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，考慮材料的性能、工藝復(fù)雜性以及經(jīng)濟(jì)因素。