第二代石墨烯芯片技术能否取代美国硅芯片技术？

　　当前，广泛应用于全球众多领域的芯片，长期由美国为首的少数西方国家垄断和控制，美国不仅拥有全球一流的研制和设计人才，而且，垄断了研发芯片材料的核心技术及生产设备，即使允许向国外出口低端生产和加工设备，其价格也十分昂贵。因此，作为像中国一样的发展中国家，虽然花大价钱进口生产加工低端芯片的生产设备，但是，由于不掌握芯片材料的核心技术，只能长期步其后尘。

　　结束“中国芯痛”现状唯一出路是：由国家协调聚集现有的经验和国际一流人才，整合国内研发力量，加快研发第二代芯片材料和应用步伐，各级政府在政策上给予必要的政策扶持和资金投入。

　　芯片材料国产化道路艰难

　　据业内人士介绍，作为广泛应用的半导体材料——硅芯片为单元素材料，属于第一代芯片材料；而砷化镓、磷化铟为合成元素材料，属于第二代芯片材料。第二代芯片材料与第一代芯片材料相比，物理性能优越，具有禁带宽度大、电子迁移率高的特点。随着高温大功率电子器件和高频微波器件材料迅速发展，第二代芯片材料需求量大增，战略意义越来越重大。

　　目前，居全球垄断地位发展成熟的芯片，均出自第一代芯片材料。但是同时，美国、德国、以色列、日本等国家也相当重视第二代芯片材料的研发，并将其作为战略性储备技术，多用于特种领域，对包括中国在内的国家严格禁运。美国商务部2015年4月决定对中国4家机构限售“至强”芯片，就是其长期对中国禁运高端芯片材料政策的体现。

　　近年来，中国出台一系列措施大力推动芯片材料国产化，特别是第二代化合物芯片技术的出现，为打破美欧在芯片材料领域的垄断提供了契机。一些科研机构和企业合作，从第二代芯片材料研发起步，开始取得突破和进展，有的不仅研制出基于第二代芯片材料的芯片设计和生产技术，而且，开发出第二代芯片材料生产设备，拥有了自己的知识产权专利。

　　但是，技术方面的突破不等于产业方面的突破。信息产业人士周知，当前国内外集成电路产业的一大严峻现状是：“国际产能饱和，本土产能缺乏”。近几年来，中国政府出台众多扶持政策，大力发展信息产业，但芯片材料国产化道路依然艰难缓慢。

　　中国的有利因素在于，中国拥有全球最大、增长最快的集成电路市场，2013年规模达9166亿元，占全球市场份额的50％。随着经济发展方式的转变、产业结构的加快调整，以及新型工业化、信息化、城镇化、农业现代化同步发展，对集成电路需求将大幅增长。但劣势也很明显，多年来，中国芯片材料产业投资规模不足，2008年至2013年，中国集成电路行业固定资产投资总量仅400亿美元（1美元约合6.32元人民币）左右，而美国英特尔公司一家2013年投资就达130亿美元。随着中央和地方集成电路投资基金的成立，本土产业有望获得重金支持，但是，由于实际情况并不乐观，芯片材料国产化，特别是高端芯片材料国产化仍步履艰难和徘徊不前。对此，业内人士不断发出“中国芯痛”的感慨。

　　长期“沉沦”于第一代芯片

　　资料显示，2013年，居全球芯片材料研发领域首位的美国高通公司营收益近250亿美元，其中，近一半来自庞大的中国市场。中国虽然有号称600家芯片设计公司，但是，芯片材料严重依赖进口，所有产品均属于中低端产品，国内年营收益超过10亿美元的厂家寥寥无几。据资料显示，2013年，中国集成电路进口金额高达2313亿美元，2014年2184亿美元，多年来与石油一起位列最大两宗进口商品。中国生产手机、计算机、彩电，由于主要以整机制造为主，以集成电路和软件为核心的价值链核心环节缺失，致使行业平均利润仅为4.5％，低于工业平均水平1.6个百分点。

　　2015年2月10日，中国国家发改委决定对美国高通公司进行反垄断处罚，其罚款高达人民币60.88亿元，约合9.75亿美元，同时，还公布了高通公司在中国实行垄断的证据。美国高通公司之所以明目张胆地违反世贸规定，在中国实行行业垄断措施，问题就在于中国没有实现高端芯片材料国产化。

　　国家出于信息安全的考虑，将芯片材料国产化作为一项事关国计民生的重大战略，建立了上千亿元的基金资助，但是，发展国产芯片材料至今步履维艰，其中，根本原因在于，由于第一代芯片材料生产加工投资十分巨大，一条生产线就需要十亿、几十亿、上百亿美元，而且，只能引进发达国家的淘汰设备，因此，芯片材料国产化仍遥遥无期。此外，对生产企业来说，研发第二代芯片材料前期投入是天文数字，况且，有可能血本无回。因此，宁可高价进口第一代芯片材料，也不愿投入第二代芯片材料研发。而这状况只能造成中国步发达国家后尘，难以找到新的出路。

　　有专家撰文说，在过去政策中，有关部门对集成电路产业的发展，强调空白技术突破、国际专利申请，以及学术文章的发表，好像只要答辩一过、专利一申、文章一发，中国的集成电路产业就可打破外国的技术垄断；其实恰恰相反，这些年来，中国的集成电路产业和国际先进水平的差距在不断扩大。

　　美国不推新一代产品为暴利垄断

　　长期以来，芯片材料研制和生产，不仅是衡量一个国家产业竞争力和综合国力的重要标志，而且是掌握国家信息安全门户的“钥匙”。美国不仅垄断了第一代芯片材料的研制和相关装备制造技术，而且，早在5年前，便大力开发第二代芯片材料。然而，美国迟迟不推出新一代产品，利益考量有很多。

　　一是出于暴利垄断需要。一片直径八英寸的硅芯片材料，成本仅有100多美元，然而，一条硅芯片材料的生产线，却要价10亿美元以上，甚至100亿美元天价，而一条第二代芯片材料生产线仅需要数亿美元，显然，美国普及新一代芯片材料技术将失去暴利垄断地位。

　　二是出于成本回报需要。美国在国内外建立了众多生产厂家，不仅投入了众多的设计和生产设备，而且，为培养相关的技术人才注入大量资金。如果推出新一代芯片材料，必须在设备和人才方面有新的投入，因此，美国延迟更新换代为的是获取更多利润。

　　三是出于销售淘汰落后设备需要。美国对生产高端芯片材料的设备采取垄断措施，对于生产高端芯片材料的设备严格控制；但是，对中低端设备，特别是对进入淘汰期的设备则允许出口，包括中国在内的发展中国家，不得不引进美国的芯片生产线，为此付出巨大代价。

　　四是出于对特种级芯片材料禁运需要。以美国为首的西方国家，一直对一些国家实行严格的特种级芯片材料禁运措施，绝不允许高端芯片材料技术流失。

　　2015年4月9日，美国商务部决定对以中国超级计算机“天河”为业务主机的三家超级计算中心和“天河”的研制者特种科大采取限售措施，限售的产品则直指已在“天河二号”上装配近10万的英特尔“至强”ＣＰＵ。据悉，中国超级计算机“天河二号”连续多年蝉联世界第一超级计算机的桂冠。

　　业内人士认为，超级计算机芯片由于长时间高负荷工作，每隔一段时间需要更换，因此美国的制裁对中国现有的“天河”系列超级计算机的正常运行可能会产生一定的影响。虽然这个制裁不难绕过（“天河二号”主任设计师卢宇彤曾透露，“限售令”的确会给“天河二号”升级计划带来一定的负面影响，但升级是一项复杂的系统工程，不可能将成败完全系于ＣＰＵ——编注），但是，至少会增加中国维护现有超算系统的麻烦和成本。然而，美国发起的这场“贸易战”并非只对中国产生影响，对生产“至强”芯片材料的英特尔公司而言，这意味着减少大量芯片材料的销售额。同时，美国媒体有报道认为，今后令人关注的是，这一禁运只会刺激中国更多使用国产芯片来构建新型的超级计算机，届时，这家美国企业将会被排除出中国这一领域的市场。美国政府指责中国采用“非市场”手段，将美国软硬件巨头排挤出中国核心领域市场，而他们现在此举恰恰会加速这个进程。

　　二代芯片材料研制期待国家更多扶持

　　实践证明，第二代芯片材料研发和生产需要资金虽然相当巨大，但是低于长期以来进口第一代芯片材料及生产设备所需的巨额资金，而聚集和造就一支具有国际先进水平的技术人才和研发队伍与扩大第二代芯片的应用领域将成为关键，其中，研发军民两用的芯片材料可以成为突破口。

　　鲜为人知的是，中国相关机构研发第二代芯片并非没有进展，近几年来，有关科研部门和信息产业集团在第二代芯片材料研发上取得了历史性突破。试验结果表明，中国自行研发的第二代芯片材料，其性能和技术指标达到当今国际先进水平。之所以取得如此成绩，是因为他们在总结芯片材料研发发展现状和未来发展趋势的基础上，将目标直接定在第二代芯片材料的研发上，即：在硅元素芯片材料的基础上，从第二代的芯片材料设计和生产起步。如今，他们不仅掌握了属于第二代芯片材料的芯片设计和生产技术，而且，成功开发出可以批量生产第二代芯片材料的先进设备。

　　据了解，中国研发的第二代芯片材料具有重大的经济价值，可广泛应用于无线通信、无线互联网、手机、物联网、智能电网、智能机器人等，几乎涉及人类现代生活的各个领域，市场规模相当巨大。

　　业内人士认为，打破以美国为首的西方国家芯片材料的垄断，是一项事关一个国家国计民生的战略举措，希望国家对此制订相应的长期发展计划，整合全国所有研发第二代芯片材料的技术队伍，以优惠政策聚集世界一流的科技人才。

　　同时，他们希望，此前已经建立的国家集成电路产业投资基金和国家金融部门，对第二代芯片材料研发和批量生产给予政策的支持，如：合理改善进口芯片材料及生产加工设备已经形成的利益链，重视对研发第二代芯片材料的投入等。建议国家将研发和生产第二代芯片材料列入“十三五”重大项目予以重点扶持，统筹全国科研力量，组建研发第二代芯片材料的国家团队，其重要战略意义绝不亚于当年的“两弹一星”工程。

　　石墨烯芯片和硅芯片相比有什么特性和优势？

　　目前对石墨烯的展望有很多，从芯片到电池到灯泡，甚至说未来石墨烯芯片频率可以达到300GHz。但对石墨烯芯片的特性和优势目前没有一个系统的介绍，比如石墨烯芯片和硅芯片相比在电子迁移中是不是也有损耗发热？到达极限工艺后石墨烯芯片是不是也会有量子隧穿效应？二维的石墨烯是如何做到硅晶体管的栅极开关的？另外拓扑绝缘体和石墨烯是什么关系？

　　石墨烯因其超薄结构以及优异的物理特性,在FET应用上展现出了优异的性能和诱人的应用前景.如Obradovic等研究发现，与碳纳米管相比，石墨烯FET拥有更低的工作电压﹔Wang等所制备的栅宽10nm以下的石墨烯带FET的开关比达10E7﹔Wu等采用热蒸发4H-SiC外延生长的石墨烯制备的FET，其电子和空穴迁移率分别为5400和4400cm2/(V·s)，比传统半导体材料如SiC和Si高很多﹔Lin等制备出栅长为350nm的高性能石墨烯FET，其载流子迁移率为2700cm2/(V·s)，截止频率为50GHz，并在后续研究中进一步提高到100GHz﹔Liao等所制备的石墨烯FET的跨导达3.2mS/μm，并获得了迄今为止最高的截止频率300GHz，远远超过了相同栅长的Si-FET(~40GHz)。然而,由于石墨烯的本征能隙为零，并且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，这对于制造晶体管是致命的，为石墨烯始终处于“开”的状态。

　　另外，带隙为零意味着无法制作逻辑电路，这成为石墨烯应用于晶体管等器件中的主要困难和挑战。因此,如何实现石墨烯能带的开启与调控，亟待研究和解决。据文献报道，一般采用两种方法实现石墨烯能带的开启与调控，即﹕掺杂改性和形貌调控。NatureNanotechnology评论明确指出﹕要深入挖掘石墨烯的优异物理特性，以制备高性能石墨烯FET，其重要基础和关键之一是获得宽度与厚度(即层数)可控的高质量石墨烯带状结构。带状石墨烯因其固有而独特的狭长“扶椅”或“之”状边缘结构效应、量子限域效应而具有丰富的能带结构，其能隙随着石墨烯的宽度减小而增大，且和石墨烯的厚度密切相关，成为石墨烯FET沟道材料的理想选择。

　　纳米碳材料，特别是石墨烯具有极其优异的电学、光学、磁学、热学和力学性能，是理想的纳电子和光电子材料。石墨烯具有特殊的几何结构，使得费米面附近的电子态主要为扩展π态。由于没有表面悬挂键，表面和纳米碳结构的缺陷对扩展π态的散射几乎不太影响电子在这些材料中的传输，室温下电子和空穴在石墨烯中均具有极高的本征迁移率(大于100000cm2/(V?s))，超出最好的半导体材料(典型的硅场效应晶体管的电子迁移率为1000cm2/(V?s))。作为电子材料，石墨烯可以通过控制其结构得到金属和半导体性管。在小偏压的情况下，电子的能量不足以激发石墨烯中的光学声子，但与石墨烯中的声学声子的相互作用又很弱，其平均自由程可长达数微米，使得载流子在典型的几百纳米长的石墨烯器件中呈现完美的弹道输运特征。典型的金属性石墨烯中电子的费米速度为υF=8×10E5m/s，室温电阻率为ρ=10E6Ω-cm，性能优于最好的金属导体，例如其电导率超过铜。由于石墨烯结构中的C–C键是自然界中最强的化学键之一，不但具有极佳的导电性能，其热导率也远超已知的最好的热导体，达到6000W/mK。此外石墨烯结构没有金属中的那种可以导致原子运动的低能缺陷或位错，因而可以承受超过10E9A/cm2的电流，远远超过集成电路中铜互连线所能承受的10E6A/cm2的上限，是理想的纳米尺度的导电材料。理论分析表明，基于石墨烯结构的电子器件可以有非常好的高频响应，对于弹道输运的晶体管其工作频率有望超过THz,性能优于所有已知的半导体材料。

　　现代信息技术的基石是集成电路芯片，而构成集成电路芯片的器件中约90%是源于硅基CMOS(complementarymetal-oxide-semiconductor)，互补金属-氧化物-半导体)技术，而硅基CMOS技术的发展在2005年国际半导体技术路线图(InternationalTechnologyRoadmapforSemiconductors,ITRS)宣布将在2020年达到其性能极限。原因在CMOS技术的核心是高性能电子(n-)型和空穴(p-)型场效应晶体管(fieldeffecttransistor,FET)的制备，以及将这两种互补的场效应晶体管集成的技术。随着晶体管尺度的缩小，器件加工的均匀性问题变得越来越严重，其中最为重要的是器件的加工精度和掺杂均匀性的问题。采用传统的微电子加工技术，目前最好的加工精度约为5nm。随着器件尺度的不断缩小，对应的晶体管通道的物理长度仅为十几纳米，场效应晶体管源漏电极之间的载流子通道的长度的不确定性将不再可以忽略不计，所以半导体材料中的掺杂均匀性问题将是另一个难以克服的问题。

　　这个领域的主流方向一直是沿用硅基技术的思路，即通过掺杂，例如K掺杂来制备石墨烯n型器件，但结果都不尽如人意。其中主要的问题是石墨烯具有一个非常完美的结构，表面完全没有悬挂键，一般不和杂质原子成键，是自然的本征材料。采用与石墨烯结合较弱的K原子掺杂结果一是不稳定，二是很难控制，不大可能满足高性能集成电路的要求。2005年美国Intel公司Chau等人对纳米电子学的发展状况进行了总结,他们对石墨烯基器件的主要结论是:虽然其p型晶体管的性能远优于相应的硅基器件,但其n型石墨烯晶体管的性能则远逊于相同尺寸的硅基器件。集成电路的发展要求性能匹配的p型和n型晶体管，n型碳石墨烯晶体管性能的落后严重制约了石墨烯电子学的发展,发展稳定的高性能n型石墨烯器件成了2005年之后石墨烯CMOS电路研究领域最重要的课题之一。

　　从目前石墨烯电子学已经取得的进展来看，至少有两个重要的方面是可以确认的。

　　第一是石墨烯器件相对于硅基器件来说具有更好的特性，无论是速度、功耗还是可缩减性，而且可以被推进到8nm甚至5nm技术节点，这正是2020年之后数字电路的目标。

　　第二是石墨烯的数字集成电路的方案是可行的。在实验室人们已经实现各种功能的电路，原则上已经可以制备任意复杂的集成电路，特别是2013年9月26日美国斯坦福大学的研究人员在《Natures》杂志上报道采用碳纳米管制造出由178个晶体管组成的计算机原型。虽然目前这个原型机尚在功耗、速度方面不能和基于硅芯片模式的先进计算机比肩，但这项工作在国际上引起了巨大反响,使得人们看到了碳基电子学时代初露的曙光。IBM发表的系统计算表明，石墨烯基的芯片不论在性能和功耗方面都将比硅基芯片有大幅改善。例如，从硅基7nm到5nm技术，芯片速度大约有20%的增加。但石墨烯7nm技术较硅基7nm技术速度的提高高达300%，相当15代硅基技术的改善。

　　目前石墨烯材料的主要挑战来源于规模生产面临的高可控性材料加工问题，即必须在绝缘衬底上定位生长出所需管径大小的半导体石墨烯。但是到目前为止，对石墨烯生长进行严格的控制还是没有实现。另一个问题是供应链的问题，硅的成本及稳定性的优势还在，芯片厂及封装厂谁愿意开第一枪，就让我们拭目以待。