近日，中美科學家首次合成了石墨烯半導體，這是一種可能為下一代超級計算機提供更高性能芯片的重大進步。

石墨烯是一種由單層碳原子構(gòu)成的二維材料，它的厚度僅為人類頭發(fā)的百萬分之一，但卻比鋼鐵更堅固，而且具有極高的導電性和抗熱性。

自從 2004 年被發(fā)現(xiàn)以來，石墨烯就被譽為“奇跡材料”，并被寄予了在電子學、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之一。石墨烯上的電子可以以接近光速的速度移動，這意味著它可以實現(xiàn)非常快的信號傳輸和數(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率，可以有效地散發(fā)熱量，避免過熱的問題。

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

如果能夠用石墨烯代替硅，那么計算機的性能將會得到極大的提升，同時也能夠節(jié)省能源和空間，實現(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。在過去的幾十年里，硅已經(jīng)在半導體制程中取得了無數(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，硅面臨著越來越大的挑戰(zhàn)。


A. 物理限制：微型化的挑戰(zhàn)

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

摩爾定律預測，半導體設(shè)備的集成度每18到24個月就會翻倍。換句話說，隨著制程技術(shù)的發(fā)展，晶體管的尺寸會越來越小。然而，當晶體管的尺寸縮小到一定程度，即接近硅原子的大小時，量子效應(yīng)開始顯現(xiàn)，使得傳統(tǒng)的物理規(guī)則失效。這使得晶體管的性能無法通過進一步微型化得到提升，甚至可能因為量子隧穿效應(yīng)導致設(shè)備出現(xiàn)錯誤。


B. 經(jīng)濟限制：制程復雜性和成本問題

隨著半導體制程技術(shù)的進步，設(shè)備的制造過程也變得越來越復雜。例如，目前最先進的極紫外線（EUV）光刻技術(shù)，需要復雜的設(shè)備和高精度的操作，大大增加了制造過程的復雜性和成本。據(jù)估計，10納米以下的制程，每個晶圓工廠的建設(shè)成本可能高達數(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，導致廢品率的上升，從而進一步增加了制造成本。因此，即使硅作為原料相對便宜，但由于制程的復雜性和高成本，硅的經(jīng)濟優(yōu)勢正在逐漸減弱。

C. 性能限制：功耗、頻率等方面的問題

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，晶體管的功耗問題變得越來越嚴重。由于硅的亞微米特性，導致晶體管在關(guān)閉狀態(tài)下仍然會有一定的漏電流，這使得設(shè)備的功耗在微型化的過程中不斷增加。

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越小，但是它的工作頻率并沒有相應(yīng)地提高。這是因為，當晶體管的尺寸縮小，其內(nèi)部的電阻和電容會增加，使得晶體管的開關(guān)速度受到限制，從而限制了設(shè)備的工作頻率。


第三代半導體材料崛起

隨著4G、5G通訊的迅速發(fā)展、同時人類生產(chǎn)生活科技化與信息化程度越來越高，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。而在技術(shù)迅猛發(fā)展的背后，是半導體材料的三次重要階段性發(fā)展。第一代半導體材料以硅（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體材料因其在高頻、高效率和低噪聲指數(shù)等方面遠超于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，第三代化合物半導體材料——碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）等材料進入了大眾的視線。與前兩代半導體材料相比，寬禁帶半導體材料因其在禁帶寬度和擊穿場強等方面的優(yōu)勢以及耐高溫、耐腐蝕、抗輻射等特點，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，是5G移動通信、新能源汽車、智慧電網(wǎng)等前沿創(chuàng)新領(lǐng)域的首選核心材料和器件，已成為當今世界各國爭相研究的科研熱點和重點。從目前來看，研究較為成熟的是SiC和GaN材料。


硅以外的半導體材料選擇

A. III-V族半導體：性能優(yōu)勢與制程挑戰(zhàn)

III-V族半導體是指元素周期表中III族和V族元素組成的半導體材料，如砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）等。相比于硅，III-V族半導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族半導體中的運動速度更快，因此可以實現(xiàn)更高的開關(guān)速度和更低的功耗。然而，III-V族半導體的制程技術(shù)復雜，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)讀取和寫入時的功耗極低，且能實現(xiàn)非易失性存儲。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)異的熱導率以及良好的機械強度等特性，被認為是硅的理想替代者。然而，石墨烯無能隙特性使得其在邏輯應(yīng)用中面臨困難，同時其生產(chǎn)工藝復雜，大面積生產(chǎn)難度高。


D. 有機半導體：靈活性和環(huán)境友好性

有機半導體是由有機分子或聚合物構(gòu)成的半導體材料，如有機場效應(yīng)晶體管（OFETs）等。有機半導體具有質(zhì)輕、柔韌、可制備透明以及生產(chǎn)成本低等優(yōu)點，非常適合于制作柔性電子設(shè)備。然而，有機半導體的穩(wěn)定性和電子遷移率通常低于無機半導體，因此在性能上還需進一步提高。


E. 新型材料：拓撲材料、氮化鎵等

拓撲材料是指一類新型的量子材料，它們的表面態(tài)是無能隙的，而體態(tài)是有能隙的。這種特性使得拓撲材料有可能用于制造更低功耗、更高性能的電子設(shè)備。

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

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