二維材料+ 拓撲半金屬。隨著世界快速邁向小型化和高效率的電子裝置，半導體行業正處於一個關鍵的轉折點。值得注意的是，小型化趨勢給互連技術領域帶來了前所未有的挑戰。這些負責在裝置元件之間傳遞訊號的系統，由於材料限制和架構效率低下，正面臨著嚴重的瓶頸。這些挑戰的影響深遠，最終導致能源消耗激增，這不僅推高了營運成本，而且在可持續發展至關重要的時代，也威脅著裝置的整體性能。深入探究，問題的核心在於互連系統中訊號延遲過長。隨著尺寸縮小，元件之間的距離也隨之縮短，但現有材料往往難以高效地實現快速訊號傳輸。這不僅會導致通訊速度下降，還會嚴重影響電源效率，最終危及半導體技術的可持續發展。多年來一直為行業提供可靠服務的傳統金屬材料，如今在現代應用的巨大壓力下開始出現問題，這凸顯了互連材料創新的迫切性。為了應對這些挑戰，全面瞭解互連系統的關鍵元件至關重要。銅等金屬因其優異的導電性能一直是互連的標準材料。然而，隨著器件尺寸縮小到奈米級，這些金屬的有效性顯著降低，這通常是由於尺寸縮小後電阻率增加以及電子散射的出現。鑑於此，研究人員正在探索能夠在保持高導電性的同時緩解這些尺寸縮小問題的替代材料。磷化鉬（MoP）等拓撲半金屬是下一代互連材料的潛在候選者之一。這些材料具有獨特的電子特性，能夠實現更高的載流子遷移率，從而促進更快的訊號傳輸。MoP 最引人注目之處在於，即使尺寸進一步縮小，它也能保持優異的性能。對這類材料的研究標誌著互連技術向新範式邁出了關鍵一步，有望緩解目前該行業面臨的諸多挑戰。在先進互連技術的探索中，二維材料也備受關注，尤其是石墨烯和非晶氮化硼（a-BN）。石墨烯憑藉其無與倫比的導電性和機械強度，為開發下一代互連技術提供了絕佳的機會。其原子級厚度有助於提高空間效率，這對於現代半導體器件日益緊湊的架構至關重要。另一方面，非晶氮化硼（a-BN）可作為絕緣層發揮關鍵作用，對於隔離金屬互連線、防止串擾和訊號完整性方面的不利影響至關重要。將這些先進材料整合到半導體製造工藝中並非一帆風順。目前積體電路製造的主流技術——大馬士革工藝，也面臨著一些特殊的挑戰。例如，新材料與現有生產方法的相容性至關重要。研究人員正積極致力於開發新的合成技術，以便在不犧牲半導體行業所要求的可靠性和性能的前提下，將這些現代材料融入現有工藝中。向這些新一代材料過渡，需要我們在材料選擇和互連設計方面轉變思維方式。這不僅僅是用一種金屬替代另一種金屬；它需要全面重新思考如何利用這些材料來提升性能，同時最大限度地減少能量損失。當我們探索拓撲半金屬和二維材料的獨特屬性時，我們便會意識到，我們正站在互連架構技術革命的風口浪尖。採用這些先進材料的意義深遠。互連性能的提升有望帶來更快的計算速度、更低的功耗，並最終建構一個更可持續的電子生態系統。在電子裝置日益滲透到我們日常生活的時代，從智慧型手機到電動汽車，乃至支撐現代基礎設施的智能電網系統，這一進步尤為重要。行業領軍企業正日益重視研發項目，旨在將這些前景廣闊的材料應用於實際應用。跨學科合作正在營造一個有利於創新的環境，學術研究人員與行業專家攜手合作，探索如何在實際環境中有效部署這些新一代材料。新型互連技術的開發不僅對提升半導體性能至關重要，而且對重塑電子技術的能源格局也具有舉足輕重的意義。此外，這些材料的合成和表徵將為最佳化架構鋪平道路，使其能夠在更低的能量閾值下高效運行。通往成功的路線圖不僅包括材料創新，還包括對現有製造和設計工藝的調整，以遵循互連性能的基本物理規律。這種綜合方法對於克服器件尺寸不斷縮小帶來的複雜挑戰至關重要。總之，半導體行業正處於一個關鍵時刻，它面臨著傳統互連材料和架構固有的侷限性。對創新的追求不僅源於性能需求，更源於對可持續發展和能源效率的更廣泛承諾，而這個世界正日益依賴先進的電子技術。展望未來，拓撲半金屬與二維材料的融合有望開啟新的可能性，重新定義下一代半導體器件，並鞏固其在可持續技術未來中的地位。本次探索中概述的挑戰和解決方案不僅凸顯了當前互連系統面臨的障礙，也展現了新興材料在重塑半導體格局方面令人振奮的巨大潛力。隨著行業朝著這一充滿希望的未來邁進，持續投入研發和合作無疑對於應對現代電子技術的複雜性並確保其長期可持續發展至關重要。 (半導體產業縱橫)

“如果電子瓶頸不存在，資料可以在晶片間無縫傳輸，那會怎樣？” Black Semiconductor的首席技術官兼聯合創始人 Cédric Huyghebaert 正是用這個問題，概括了這家歐洲最具創新精神的光子學初創公司之一的雄心壯志。在埃因霍溫舉行的 2025 年歐洲光子積體電路峰會 (PIC Summit Europe 2025) 上，他闡述了公司如何利用石墨烯的獨特特性，將光子學直接融入半導體生產。“我們稱之為一種新型晶片，”他說道，“因為現在，你的 CMOS 晶片可以同時使用兩種語言：電子學和光子學。”從實驗室到工廠：石墨烯的漫長道路“當我們開始研究石墨烯時，”休格巴特回憶道，“所有人都認為我們找到了新的矽。”憑藉其非凡的遷移率和導電性，研究人員設想用石墨烯完全取代CMOS電晶體。“但幸運的是，”他笑著說，“石墨烯沒有帶隙。它具有奇特的能帶結構，而這最終成為了我們的優勢。”他解釋說，早期的實驗很簡單：在實驗室裡剝離出一層原子厚的石墨烯。“我們用光照射它，發現它吸收了2.3%的光；對於單層石墨烯來說，這已經很多了，但還不足以製造器件。”關鍵的突破在於科學家們將石墨烯層壓到波導上，使光能夠反覆與石墨烯層相互作用。“這樣你就可以調節吸收率，甚至可以根據需要吸收所有光，”休格巴特說道。這一發現開啟了石墨烯調製器和光電探測器的研發之路，這些器件能夠以驚人的速度操控和探測光。“它在實驗室裡表現出色，”他說。“但如何將其與電子器件連接起來？如何將其規模化生產？這就是Black Semiconductor的創立初衷。”一種新的晶片類別：史詩級晶片（EPIC），而不僅僅是單晶片晶片（PIC）傳統的光子學和電子學融合方法依賴於複雜且成本高昂的先進封裝技術：鍵合、減薄和堆疊多個晶片。“這非常複雜，”Huyghebaert說道。“我們提出的替代方案是EPIC：電子-光子積體電路。我們利用標準工業流程整合這兩種技術。無需剝離工藝，也無需特殊工具。”其結果是革命性的簡潔性：可以在標準CMOS生產線內製造的光子器件，使資料傳輸不再依賴於電子，而是通過光來實現。“無論你在下面的晶片上製造什麼，”他說道，“它突然間就能用兩種語言交流了。它既可以進行電子計算，也可以進行光通訊。這徹底改變了遊戲規則。”挑戰：質量、可重複性、可擴展性石墨烯的潛力與它的難題不相上下。“你不能直接去找代工廠讓他們把石墨烯整合到晶片上——至少我們還沒找到能做到的，”休格巴特坦言。主要問題是什麼？質量和可重複性。“眾所周知，石墨烯性能優異，但穩定性較差，”他說。“所以我們正在研發單晶石墨烯，先在200毫米晶圓上生長，然後再擴展到300毫米。這對於穩定性至關重要。”轉移過程也十分棘手。“我們先在範本上生長石墨烯，然後將其轉移到晶圓上，但保持其完美無瑕卻很難。在CMOS技術的歷史上，可重複性也是關鍵瓶頸，直到業界掌握了控制柵極氧化層的方法。現在，我們必須對石墨烯也做到這一點。”第三個挑戰是可擴展性。“即使這項技術成功了，我們每年能生產10萬片晶圓嗎？100萬片呢？”他問道。“如果想在每個晶片上都應用光子技術，就需要制定大規模生產的計畫。”歐洲的石墨烯時刻總部位於亞琛的Black Semiconductor公司通過與歐洲的合作找到了答案。“歐洲在石墨烯研究領域有著深厚的傳統，”Huyghebaert提醒聽眾，並提到了歐盟的石墨烯旗艦計畫。“因此，在2021年，我們開始與政策制定者對話，說服他們歐洲應該將這項技術留在本土。”他們的提案成功了。2024年6月，Black Semiconductor獲得了IPCEI（歐洲共同利益重要項目）的資助，用於建設一條300毫米整合石墨烯光子學試驗生產線。“我們目前正在設計這座晶圓廠，”Huyghebaert說道，“它將於2026年中期投入營運，2027年初全面投產，產品樣品也將很快推出。”公司的發展速度同樣迅猛。“2022年我們只有兩個人，”他說，“現在我們有130人，明年就會達到240人。”如此快速的發展也帶來了挑戰。“招聘人才很難，”他坦言，“但讓人才各司其職更難。新人需要時間才能高效工作；這正是我們目前正在努力的方向。”超越矽光子學當今的矽光子（SiPh）技術——光互連的主力軍——在整合到晶片製造的後端工藝（BEOL）時面臨諸多限制。“SiPh需要高溫和與BEOL不相容的材料，”Huyghebaert解釋道。“相比之下，石墨烯則完美契合。它工作溫度低，與CMOS工藝相容，並且能夠實現高速調製器和探測器。”他認為，這種相容性可以重新定義電腦架構。“它使我們能夠重新思考晶片之間的通訊方式；直接通過光，在同一堆疊內進行通訊。這就是我們打破阻礙人工智慧發展的互連瓶頸的方法。”在公司的願景視訊中，他簡潔地總結道：“石墨烯光子學消除了電子瓶頸，實現了無限的資料吞吐量。”下一步：玻璃和光Black Semiconductor公司也在開發玻璃面板中介層，這是一種新興的下一代計算平台。“玻璃可以減少訊號損耗，提高頻寬，並支援更複雜的系統架構，”Huyghebaert表示，“結合整合石墨烯光子技術，它可以在晶片之間建立無縫的光學結構。”在早期的實驗室測試中，他們的石墨烯調製器已經展現出令人矚目的速度：目前為 5 GHz，並計畫實現 20-25 GHz 的調製速度和 60 GHz 的光電探測器。“我們才剛剛起步，”他說，“但我們知道前進的方向。”邁向後矽時代最後，休格巴特提到了他在創立Black Semiconductor之前發表的最後一篇學術論文。“論文題目是《二維材料可以讓後端生產線變得智能》。而這正是我們正在做的：讓後端生產線變得更智能。”他說，他們的目標不是取代CMOS，而是對其進行增強，將晶片背面變成有源光學層。“這是新型晶片的首款產品。電子和光子真正實現了整合。這就是我們重新思考計算的方式。”休格巴特的訊息很明確：電腦領域的下一次革命不會僅僅來自更快的電晶體；它將來自光，光流過單層碳。 (半導體行業觀察)

前不久，《自然》雜誌網站在線上發表了一個題為《碳化矽上生長的超高遷移率半導體外延石墨烯》的研究成果。 這是天津大學天津奈米顆粒與奈米系統國際研究中心馬雷教授團隊在半導體石墨烯領域取得顯著進展，成功製備出高遷移率半導體外延石墨烯，表現出了10倍於矽的性能。 這項突破引起了業界的關注，石墨烯在半導體界究竟是怎麼樣的存在？為什麼大家都在關注石墨烯？ 01 困擾石墨烯研究者數十年的難題

石墨烯被認為是一種潛在的新型電子材料，可以用來製造更快、更小、更節能的電子裝置。但是，石墨烯也有一個很大的缺點，就是它沒有帶隙。什麼是帶隙呢？簡單地說，帶隙是指一個材料中電子能量的一個禁區，電子不能在這個區域內存在。 如果一個材料有帶隙，那麼它就可以透過控制電壓或電流來調節電子的流動，從而實現開關或邏輯功能。 石墨烯不是良導體，全世界電阻率最小的材料嗎，怎麼能製成半導體呢？這也正是科學家最棘手的地方。石墨烯是由單層碳原子組成的六角型蜂巢晶格結構，也就是說是二維的，每個碳原子都會貢獻一個電子出來形成大π鍵，這些π鍵電子不再受單個碳原子的約束，可以在整個平面內自由移動，所以石墨烯具有良好的導電性。 石墨烯這種由單層碳原子構成的二維材料有三大優良特性：

石墨烯，由於其具有優異的光學、電學、機械特性，厚度只有頭髮絲的二十萬分之一，比鑽石還堅硬，比鋼鐵的強度還高。這就是被稱為「黑金」和「新材料之王」，是世界上已知最薄、最堅硬、導電性最好的奈米材料。 也被認為是下一代半導體材料，早在2021年「全球IEEE國際晶片導線技術會議」就將石墨烯定位為下一代新型半導體的材料。 在半導體領域的應用似乎一直是風聲大雨點小，不過，近日石墨烯終於「奔現」了。 天津大學馬雷教授及其科研團隊與喬治亞理工學院的物理學教授沃爾特·德·希爾（Walter de Heer）研製成功了世界上第一個由石墨烯製成的功能半導體（Functional Graphene Semiconductor）。