石墨烯为半导体制造带来哪些新应用呢？

2016年，全球半导体销售额达到最高，为3390亿美元。与此同时，半导体产业在芯片上的投入约为72亿美元，作为微电子元件的基板，这些芯片可以用来制作晶体管、发光半导体和其他电子元器件。

在半导体销售额不断增长的今天，如何能够更好的减少的随之而来的在半导体芯片方面的投入是未来不得不面对的问题。目前很多厂商和研究机构都在寻找新的方法。

近日，由麻省理工学院的工程师研制的一种新技术，可以大大减少晶圆技术的投入，与传统的半导体工艺相比，这种技术能够使设备更加多元化和更高的性能。

在《自然》杂志上公布的这项新技术使用的是石墨烯材料——单原子层石墨——就如同复制机器一般能够将底层的材料性能复制到顶层。

什么是石墨烯材料

石墨烯是一种二维晶体，人们常见的石墨是由一层层以蜂窝状有序排列的平面碳原子堆叠而形成的，石墨的层间作用力较弱，很容易互相剥离，形成薄薄的石墨片。当把石墨片剥成单层之后，这种只有一个碳原子厚度的单层就是石墨烯。

自从石墨烯在2003年被发现以来，研究者发现它具有优异的强度、导热性和导电性。最后一种性质使得这种材料非常适合用来制作电路中的微小接触点，但最理想是用石墨烯自己制成电子元件——特别是晶体管。

要做到这点，石墨烯不仅需要充当导体，也要有半导体的功能，这是电子元件需要进行的通断切换操作的关键。半导体由其带隙所定义的，带隙指的是激发一个电子，让它从不能导电的价带跃迁到可以导电的导带所需要的能量。带隙必须足够大，这样来使得晶体管开和关之间的状态才对比明显，这样它才能准确无误地处理信息。

常规的石墨烯是没有带隙的——它特殊的波纹状价带和导带实际上是连在一起的，这使得它更像是金属。尽管如此，科学家们试图分开这两个带。通过把石墨烯制造成奇特的形状，如带状，目前最高可以让带隙达到100meV，但这对电子工程应用来说还是太小了。

相对于通过前端设计提升微结构来提高芯片性能，通过后端设计来提升主频显然更加简单粗暴，研发周期也更短(微结构研发一般要3年)，更适合商业推广。

硅基材料集成电路主频越高，热量也随之提高，并最终撞上功耗墙。目前硅基芯片最高的频率是在液氮环境下实现的8.4G，日常使用的桌面芯片主频基本在3G到4G，笔记本电脑为了控制CPU功耗，主频普遍控制在2G到3G之间。

但如果使用石墨烯材料，那么结果就可能不同了。因为相对于现在普遍使用的硅基材料，石墨烯在室温下拥有10倍的高载流子迁移率，同时具有非常好的导热性能，芯片的主频理论上可以达到300G，并且有比硅基芯片更低的功耗——早在几年前，IBM在实验室中的石墨烯场效应晶体管主频达155G。

因此，在前端设计水平相当的情况下，使用石墨烯制造的芯片要比使用硅基材料的芯片性能强几十倍，随着技术发展，进一步挖掘潜力，性能可能会是传统硅基芯片的上百倍！同时还拥有更低的功耗。

石墨烯在半导体领域的应用

作为新兴材料，石墨烯能广泛应用于燃料电池、材料改性、防锈防滑、海水淡化、特种工业等多个领域，这已经是业界共识。事实上，由于在已知材料中电阻率最小、导热系数最高，所以石墨烯被认为是最理想的电极和半导体材料，其最佳、最具潜力的应用是成为“硅”的替代品，用来制造超微型晶体管，生产未来的超级计算机。

众所周知，过去几十年，硅几乎是制造芯片的唯一选择，以硅为材料的各类型芯片在制程工艺上快要达到了物理极限（7纳米），这极大的限制了各类计算芯片处理性能的提升。然而，科技永远是在进步的，石墨烯的问世或许能有效的解决硅基材料的物理极限问题。那么，石墨烯在电极和半导体领域究竟能做哪些事情呢？

1、光电半导体产品。以其非常好的透光性、导电性和可弯曲性，在触摸屏、可穿戴设备、OLED等领域中发挥作用。这也是目前公认最可能首先实现商业化的领域。

2、制造传感器。石墨烯因其独特的二维结构，且具有体积小、表面积大、灵敏度高、响应时间短等特点，能提升传感器的各项性能。随着物联网和和可穿戴技术的不断发展，未来对传感器的需求将会越来越高，相信石墨烯能够扮演不错的角色。

3、微电子器件。由于物理极限的限制，石墨烯在未来的晶圆、计算芯片以及各类型的微电子器件中都能担当大任，并发挥其独特的性能。

举例来说，目前主流的4G系统基站虽然已经采用了负责基带处理的BBU+负责射频的RRU通过光纤拉远的架构，但由于机房站址资源日益稀缺和高成本，将BBU集中设置以节省机房的需求越来越强烈，同时也要求对基带资源共享、集中调度等功能的实现。

由于基带信号对带宽和各项处理资源的消耗很大，现有芯片和背板处理速度根本无法实现更大规模的基带资源集中调度和共享，同时在散热、功耗等方面也面临很大挑战。

若采用石墨烯材料，不但芯片处理能力、数据交换速率能得到大幅提升，石墨烯良好的导热、导电和耐温特性也使得在散热、功耗方面的要求降低，进而实现处理能力达到上万载频的集中式基带资源池。

目前，不少研究机构和企业已经开始将石墨烯技术应用到半导体领域了。诸如，新加坡南洋理工大学开发的敏感度是普通传感器1000倍的石墨烯光传感器；美国哥伦比亚大学研发出的石墨烯-硅光电混合芯片；IBM研究人员开发出的石墨烯场效应晶体管等等，都为石墨烯在半导体领域的应用指明了方向。

不一样的石墨烯应用技术

近年来，与石墨烯相关的研究和产业化正在持续升温。

欧盟委员会在2013年将石墨烯列为“未来新兴技术旗舰项目”之一，该项目的研究范围十分广泛，其中石墨烯的制备是核心；韩国政府则投入研发费用14亿美元，把石墨烯材料及产品定为未来革新产业之一；从2006年开始，美国国家自然科学基金资助的石墨烯相关项目达到两百多项；而日本学术振兴机构也从2007年起开始对石墨烯相关材料、器件技术进行资助。

按照最新公布的技术，工程师已经精心设计了控制程序，将单层的石墨烯材料放在价格昂贵的晶圆上，然后在这些石墨烯层面上生成半导体材料。

这些工程师发现，石墨烯有非常良好的性能，使顶层的材料性能完全复制到底层的晶体，所印制的图案完全不受石墨烯的影响。

石墨烯的性能也非常“平滑”，这使得石墨烯很能与其他材料融合，这样工程师就能够非常简单的将顶层的晶圆从石墨烯上剥离。

JeehwanKim，在机械工程和材料科学的课程上曾经表示，传统的半导体生成衬底，在生成半导体晶圆的时候，具有很强的粘性，这就是的，在不损害上下两层晶圆的情况下将衬底剥离几乎是不可能的事情。

Kim表示：“最终我们不得不牺牲其中一层，最终会黏着在设备上。”

随着新技术的厂商，Kim认为，未来，制造商能够使用石墨烯作为衬底，在衬底上生成晶圆。这种方法，除了可以节省晶圆的成本之外，也能够为半导体材料开拓更多的机会。

“半导体行业现在已经硅晶圆所束缚，由于成本的原因，即使我们知道有很好的方法来提高性能，也无法将其用于商业。”Kim表示，“现在这种材料将能够使我们在半导体的材料选择和性能方面更加自由。”

从电学特性到机械特性的转变

自从2004年发现石墨烯材料以来，研究人员一直致力于研究其电学特性，以期提高电子器件的性能，降低成本。石墨烯是一种非常好的材料，电流在流过石墨烯之后几乎没有什么损耗。

基于这个原因，研究人员一直致力于将石墨烯做成廉价、高性能的半导体的方法。

Kim表示，人们希望我们能够找到方法将石墨烯制作成真正的电子设备，但是事实证明，这是一件非常困难的事情。

事实上，阻止电子流过石墨烯层是非常困难的，这种也行使得石墨烯能够成为一种非常好的导体，但是做半导体性能就很差。

Kim的团队采用了一种全新的方法，使得在半导体中使用石墨烯成为现实。研究人员转变了思路，没有过多的关注石墨烯的点穴特性，而是专注于研究石墨烯的机械特性。

“我们非常有信心能够在半导体中使用石墨烯材料，这是基于石墨烯良好的材料特性。”Kim表示。

“非常有趣的是，石墨烯内部只有很弱的范德华力，这意味着石墨烯在垂直方向上没有很大的引力，所以石墨烯的表面会很滑。”

石墨烯的复制与剥离

该团队表示，超薄的石墨烯层能够拥有非常好的特性，可以夹在衬底和半导体层之间，为其提供一个几乎难以察觉的表面，允许半导体材料中的原子重新排列，形成性能非常好的半导体材料。

这一方法一旦被采用，在石墨烯上印制半导体材料之后，制造商能够很容易的将石墨烯材料剥离，这一方法能够极大的降低晶圆的损耗。

研究小组还发现，这一名为“远程外延”的技术，能够成功的复制和剥离来自另一半导体层的半导体特性。

研究人员已经成功的将这一方法应用于晶圆和半导体材料中，包括磷化铟，磷化镓等多种比硅还要昂贵的材料。

Kim表示，这项技术在理论上能够是制造上无限次的重复使用晶圆——从硅和半导体材料的角度。

“这是一种非常特别的石墨烯使用方法。”石墨烯材料研究的先驱，哈佛大徐的物理学教授，PhilipKim在谈到这一技术时表示，即便他并没有参加这一研究小组。“这一技术能够很容易的整合到现有的半导体制造过程中去，并能够彻底的改变半导体异质结构的生成方式，从而形成全新的电子元器件和光学器件。”