日前，知名媒體EET報道,，他們認為石墨烯芯片在未來將會成為延續(xù)摩爾定律的關(guān)鍵,。他們認為，針對即將出現(xiàn)的新半導(dǎo)體制程節(jié)點,，石墨烯將在其先進封裝與互連材料方面發(fā)揮重要作用,。在3D IC封裝中，石墨烯可作為散熱片,，用于降低整體熱阻,，或作為EMI屏蔽，以降低串?dāng)_,。美國15億美元的電子復(fù)興也將石墨烯列為重點關(guān)注方向,。
但在知乎作者宮非看來，石墨烯芯片還有很長的一段路要走,。
什么是石墨烯材料
石墨烯是一種二維晶體,，人們常見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，研究者發(fā)現(xiàn)它具有優(yōu)異的強度,、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制作電路中的微小接觸點，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,，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)一個電子,，讓它從不能導(dǎo)電的價帶躍遷到可以導(dǎo)電的導(dǎo)帶所需要的能量,。帶隙必須足夠大，這樣來使得晶體管開和關(guān)之間的狀態(tài)才對比明顯,，這樣它才能準確無誤地處理信息,。
常規(guī)的石墨烯是沒有帶隙的——它特殊的波紋狀價帶和導(dǎo)帶實際上是連在一起的,，這使得它更像是金屬。盡管如此,，科學(xué)家們試圖分開這兩個帶,。通過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到100meV,，但這對電子工程應(yīng)用來說還是太小了。
相對于通過前端設(shè)計提升微結(jié)構(gòu)來提高芯片性能,，通過后端設(shè)計來提升主頻顯然更加簡單粗暴,，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,。因為相對于現(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，同時具有非常好的導(dǎo)熱性能,，芯片的主頻理論上可以達到300G,，并且有比硅基芯片更低的功耗——早在幾年前，IBM在實驗室中的石墨烯場效應(yīng)晶體管主頻達155G,。
因此,，在前端設(shè)計水平相當(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幾十倍,，隨著技術(shù)發(fā)展,，進一步挖掘潛力，性能可能會是傳統(tǒng)硅基芯片的上百倍,！同時還擁有更低的功耗,。
石墨烯芯片的機會與挑戰(zhàn)
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 的開關(guān)比達 10e7﹔Wu 等采用熱蒸發(fā) 4H-SiC 外延生長的石墨烯制備的 FET，其電子和空穴遷移率分別為 5,400 和 4,400cm2/(V·s)，比傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料如 SiC 和 Si 高很多﹔Lin 等制備出柵長為 350nm 的高性能石墨烯 FET,，其載流子遷移率為 2700 cm2/(V·s),，截止頻率為 50 GHz，并在后續(xù)研究中進一步提高到 100 GHz﹔Liao 等所制備的石墨烯 FET 的跨導(dǎo)達 3.2 mS/μm,，并獲得了迄今為止最高的截止頻率 300 GHz,，遠遠超過了相同柵長的 Si-FET (~40GHz)。
然而, 由于石墨烯的本征能隙為零,，并且在費米能級處其電導(dǎo)率不會像一般半導(dǎo)體一樣降為零,，而是達到一個最小值，這對于制造晶體管是致命的,，為石墨烯始終處于“開”的狀態(tài),。
另外，帶隙為零意味著無法制作邏輯電路,，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, 如何實現(xiàn)石墨烯能帶的開啟與調(diào)控,，亟待研究和解決,。據(jù)文獻報道，一般采用兩種方法實現(xiàn)石墨烯能帶的開啟與調(diào)控,，即﹕摻雜改性和形貌調(diào)控,。Nature Nanotechnology 評論明確指出﹕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特的狹長“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),，使得費米面附近的電子態(tài)主要為擴展π態(tài)。由于沒有表面懸掛鍵,，表面和納米碳結(jié)構(gòu)的缺陷對擴展 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 100000 cm2/(V·s))，超出最好的半導(dǎo)體材料(典型的硅場效應(yīng)晶體管的電子遷移率為 1000 cm2/(V·s))。
作為電子材料,，石墨烯可以通過控制其結(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,，其平均自由程可長達數(shù)微米，使得載流子在典型的幾百納米長的石墨烯器件中呈現(xiàn)完美的彈道輸運特征,。典型的金屬性石墨烯中電子的費米速度為 υF= 8×10e5 m/s,，室溫電阻率為 ρ = 10E6 Ω-cm，性能優(yōu)于最好的金屬導(dǎo)體,，例如其電導(dǎo)率超過銅,。由于石墨烯結(jié)構(gòu)中的 C–C 鍵是自然界中最強的化學(xué)鍵之一，不但具有極佳的導(dǎo)電性能,，其熱導(dǎo)率也遠超已知的最好的熱導(dǎo)體,，達到 6,000 W/mK。
此外石墨烯結(jié)構(gòu)沒有金屬中的那種可以導(dǎo)致原子運動的低能缺陷或位錯,，因而可以承受超過 10e9 A/cm2 的電流,，遠遠超過集成電路中銅互連線所能承受的 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)，對于彈道輸運的晶體管其工作頻率有望超過 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（complementary metal-oxide-semiconductor)，互補金屬-氧化物-半導(dǎo)體)技術(shù),，而硅基 CMOS技術(shù)的發(fā)展在 2005年國際半導(dǎo)體技術(shù)路線圖 (International Technology Roadmap for Semiconductors, ITRS)宣布將在 2020 年達到其性能極限,。原因在 CMOS 技術(shù)的核心是高性能電子 (n-)型和空穴 (p-)型場效應(yīng)晶體管 (field effect transistor, FET)的制備，以及將這兩種互補的場效應(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題變得越來越嚴重，其中最為重要的是器件的加工精度和摻雜均勻性的問題,。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,，對應(yīng)的晶體管通道的物理長度僅為十幾納米,，場效應(yīng)晶體管源漏電極之間的載流子通道的長度的不確定性將不再可以忽略不計，所以半導(dǎo)體材料中的摻雜均勻性問題將是另一個難以克服的問題,。
這個領(lǐng)域的主流方向一直是沿用硅基技術(shù)的思路,，即通過摻雜,，例如 K 摻雜來制備石墨烯 n型器件，但結(jié)果都不盡如人意,。其中主要的問題是石墨烯具有一個非常完美的結(jié)構(gòu),，表面完全沒有懸掛鍵，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,，不大可能滿足高性能集成電路的要求,。2005 年美國 Intel 公司 Chau 等人對納米電子學(xué)的發(fā)展?fàn)顩r進行了總結(jié), 他們對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)取得的進展來看，至少有兩個重要的方面是可以確認的,。第一是石墨烯器件相對于硅基器件來說具有更好的特性,，無論是速度、功耗還是可縮減性,，而且可以被推進到 8nm 甚至 5nm 技術(shù)節(jié)點,，這正是 2020 年之后數(shù)字電路的目標。第二是石墨烯的數(shù)字集成電路的方案是可行的,。
在實驗室人們已經(jīng)實現(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日美國斯坦福大學(xué)的研究人員在《Natures》雜志上報道采用碳納米管制造出由 178 個晶體管組成的計算機原型,。雖然目前這個原型機尚在功耗、速度方面不能和基于硅芯片模式的先進計算機比肩,，但這項工作在國際上引起了巨大反響, 使得人們看到了碳基電子學(xué)時代初露的曙光,。
IBM 發(fā)表的系統(tǒng)計算表明，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 7 nm 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 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)來源于規(guī)模生產(chǎn)面臨的高可控性材料加工問題,，即必須在絕緣襯底上定位生長出所需管徑大小的半導(dǎo)體石墨烯,。但是到目前為止，對石墨烯生長進行嚴格的控制還是沒有實現(xiàn),。另一個問題是供應(yīng)鏈的問題,，硅的成本及穩(wěn)定性的優(yōu)勢還在,，芯片廠及封裝廠誰愿意開第一槍，就讓我們拭目以待,。