“神奇材料”叩开碳基半导体时代大门，“中国芯”能否实现弯道超车

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摩尔定律“续命”

长期以来，取之不尽的硅都是半导体产业离不开的基础材料，现在的我们已经根本无法想象没有硅基芯片的生活。

而硅基半导体时代的迭代基本都跟随“摩尔定律”，不过随着时间推移，摩尔定律的失灵已成必然。1965年，英特尔创始人之一的戈登·摩尔在《电子》杂志上预测，“未来硅晶元每平方英寸所能容纳的晶体管数量，将每12个月将增加一倍”，这就是摩尔定律的前身；十年后，摩尔将集成电路翻番的时间从12个月调整为24个月；最后一次的准确的时间表定在了“每18个月提高一倍”。

在过去的半个世纪中，摩尔定律屡试不爽，引领着半导体产业的飞速发展，台积电现在甚至已经在攻克2nm制程工艺了。但是，半导体行业也要尊重物理定律，即芯片不可能无限地缩小，摩尔定律迟早要被逼到尽头。

业内的共识是，当硅基芯片触及10nm以下，就会受到受到材料、器件等的限制，芯片就会出现量子隧穿导致的漏电效应和短沟道效应等问题——换句话说，就是电流的通断不好控制、容易出错，电流控制出错，那还怎么表示0和1？

为了延续和拓展摩尔定律，也为了满足新时代的算力需求，业界开始不断探索新半导体材料的可能性。同样储量丰富的碳基材料得到关注。

所有碳基材料中，石墨烯半导体的研究应用恐怕更值得关注。不久前，天津大学教授马雷团队联合美国佐治亚理工学院教授Walter de Heer团队，宣布研制出全球首个由石墨烯材料制成的功能性半导体。这意味着，在石墨烯材料诞生20年后，终于在半导体领域实现了从0到1的突破。

石墨烯作为“神奇材料”为什么适合应用于集成电路产业？又是什么阻碍了石墨烯半导体的应用？这就要从石墨烯的材料特性说起。

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神奇材料的阿喀琉斯之踵

2004年，曼彻斯特大学和俄国切尔诺戈洛夫卡微电子工艺研究所的两组物理团队共同合作，利用一种粗糙但有效的方式制备出石墨烯材料——就是用文具店里能买到的胶带，折叠粘贴在石墨薄片两边，然后撕开，再粘贴，再撕开，不断重复操作，最终撕出了仅由一层碳原子构成的全新材料。

这个发现不仅给两位科学家带来了诺贝尔物理学奖，还打开了材料科学的新方向：二维材料。尽管石墨“柔柔弱弱”，但石墨烯却有完全不同的特质，比如透明、比钢还坚硬、导电性能超过铜和银、导热性更是已知材料中的头部梯队……

这些迷人的材料特质，就是石墨烯更适合来制作晶体管和导线的原因所在。复旦大学物理学系教授张远波曾解释，硅就像一个海绵球，因为它的表面总要和氧反应形成氧化硅，所以做成的晶体管不能无限小，会影响性能；而石墨烯其实就是单层碳原子构成的石墨薄片，尽管如此之薄，却因为不会和外界反应而能保持稳定。

理论上看的确如此，如果用石墨烯制作晶体管，可以使电子能够真正在芯片的层次上各行其道而互不干扰。同时，它作为一个非常好的热电材料，能够把废热变为电能，还能更好地散热，从而提升芯片的稳定性和寿命。从制造角度看，碳基芯片的制作过程也不需要高温高压，更小、更轻的芯片那更是不在话下，我们也能得到比现有硅基芯片更高的运算速度。

但是，理论始终是一种理想化的表述，石墨烯和自然界任何生物一样，不会是完美无缺的。石墨烯应用于半导体最致命的缺点，是没有“能带间隙”（band gap）。

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从金属到半导体，硬造？

“能带间隙”又称为带隙或能隙，指的是固体材料中价带（电子能量较低的带）和导带（电子能量较高的带）之间的能量间隔。如果带隙很小或者根本不存在，那电子在常温下就能直接从价带跃迁到导带，这种固体就会表现出良好的导电性，也就是我们划分为金属的材料；如果带隙很大，电子很难从价带跃迁到导带，固体就表现出绝缘性，这样的固体被称为“绝缘体”；如果带隙适中，在外部某些条件作用下可以导电，在其他条件下不导电，这就是我们常说的“半导体”。

合格的半导体在外界的刺激下，被激发电子会从一个能量带跃迁到另一个能量带，这就可以有效打开和关闭电流，从而控制导电开关，同时创造了数字计算机中使用0和1的二进制系统。而之前的研究结果发现，石墨烯是一种零带隙材料，且石墨烯薄片上的褶皱、圆丘和孔洞都会对电流产生不同寻常的影响，导致其在费米能级处其电导率不会像一般半导体一样降为零，而是达到一个最小值。这也就意味着，它无法像硅一样借由通电和断电表示0和1，也就没办法制成晶体管。

前述中美研究团队联合研制的石墨烯功能性半导体的最大价值，就是打开了石墨烯的能量间隙。

从团队在《Nature》发布的论文，我们可以大致知道这个能量间隙是怎么出现的。研究人员利用硅原子比碳原子蒸发率高这一特点，加热碳化硅晶片；在硅蒸发后，晶体表面就留下了一个石墨烯多层。

这个石墨烯多层的第一层是绝缘的“外延石墨烯”层，这一层相当于是“长”在碳化硅晶体上的一层石墨烯，它与晶体上的碳原子是键合状态。原子间的作用，让这层外延石墨烯的能带产生了分裂，生生造出来了一个能带间隙。

研究人员表示，这个石墨烯半导体的迁移率是碳化硅的10倍。迁移率越高，就意味着控制电流开关的晶体管的开关速度可以更快，工作效率更高，“这就像在砾石路上开车和在高速公路上开车的区别”。

尽管已经走出实用化第一步，但从其他新材料的经验来看，想让石墨烯半导体真正走进千家万户还有10到20年的时间，毕竟硅深入各领域也花费了百年。

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编辑｜张毅

审核｜吴新

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