重大突破！中美合作成功研發全球第一個石墨烯晶片！可以繞開EUV光刻機嗎？

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）。

石墨烯晶片終於面世了，那此次石墨烯製成的功能半導體究竟突破了什麼？是不是石墨烯半導體可以助力國產晶片彎道超車呢？

記者從天津大學獲悉，該校奈米顆粒與奈米系統國際研究中心的馬雷教授團隊攻克了長期以來阻礙石墨烯電子學發展的關鍵技術難題，在保證石墨烯優良特性的前提下，打開了石墨烯帶隙，成為開啟石墨烯晶片製造領域大門的重要里程碑。研究成果論文《碳化矽上生長的超高遷移率半導體外延石墨烯》1月3日在線發表於國際期刊《自然》。

馬雷團隊透過對外延石墨烯生長過程的精確調控，成功地在石墨烯中引入了帶隙，創造了一種新型穩定的半導體石墨烯。這種半導體石墨烯的電子遷移率遠超矽材料，表現出了十倍於矽的性能，並且擁有矽材料所不具備的獨特性質。

據了解，本研究採用創新的準平衡退火方法，製備出超大單層單晶疇半導體半導體外延石墨烯（SEG） ，具有生長面積大、均勻性高，製程簡單、成本低廉等優勢。此方法製備的半導體石墨烯，擁有約600毫電子伏帶隙以及高達5500厘米平方每伏特秒的室溫霍爾遷移率，優於目前所有二維晶體至少一個數量級。以此半導體外延石墨烯製備的場效電晶體開關比高達10000，基本上滿足了工業化應用需求。

一、石墨烯半導體的突破

根據天津大學官方消息：「天津奈米顆粒與奈米系統國際研究中心（簡稱：奈米中心）的馬雷教授及其科研團隊，在半導體石墨烯領域取得了顯著進展。該團隊成功地攻克了長期以來阻礙石墨烯電子學發展的關鍵技術難題，打開了石墨烯帶隙，實現了從“0”到“1”的突破。這一突破被認為是開啟石墨烯晶片製造領域大門的重要里程碑。 ”

沒錯，就是石墨烯帶隙。那什麼是石墨烯帶隙呢？

帶隙是指固體材料中能階間的能量間隔。在導體中，能帶之間的能階是連續的，而在絕緣體和半導體中，能帶之間存在一個帶隙，這導致了電荷載子的出現和禁止電荷傳導。

而石墨烯既不是半導體也不是金屬，而是半金屬，因此在理論上應該是零能隙材料。沒有合適的" 帶隙"就無法在施加電場時以正確的比率實現打開和關閉——這是困擾石墨烯相關半導體研究的最大障礙。

因此，過去二十多年，石墨烯電子學研究的主要問題是如何打開" 帶隙"，實現開和關的功能，以便它可以像矽一樣具備半導體特性，從而可以工作。

天津大學的這項成果就是解決了帶隙問題，主要透過在特定碳化矽晶面上退火石墨烯，讓石墨烯能夠像矽一樣運作。

而這項突破是實現石墨烯基電子產品的關鍵一步，為利用石墨烯非凡能力的新時代鋪平了道路。

二、石墨烯晶片規模化生產

天津大學的研究成果成功解決了石墨烯帶隙的問題，但要讓石墨烯半導體真正應用在產業，還有第二個問題──如何大規模生產。

在現階段，實現大規模生產仍有很大差距，遠不及矽，主要有三個問題：

1.半導體領域中石墨烯只能用CVD法製備，價格昂貴，成品率低，如何實現石墨烯規模化生產是個亟待解決的問題；

2.石墨烯作為一種2D平面材料，有較嚴重量子效應，邊緣態和晶態都在很大程度上影響電子結構和電氣性質；

3.需要深入研究石墨烯的導電性，使石墨烯積體電路有更優異的性能。

因此，石墨烯晶片的規模製造難度非常高，數十年來業界一直在研究大規模量產的方法，但都沒有達到實務程度。目前，多個國家都在研究石墨烯晶片，一旦成功量產，就有望打破現今的矽基晶片壟斷局面。

三、石墨烯晶片可以彎道超車嗎？

由於最近幾年國產晶片及半導體產業受到外部限制和限制，發展異常的艱難，所以一些不明真相的網友提出說：石墨烯晶片可以不需要使用EUV光刻機也能製造出7nm及以下先進製程的晶片，顯然是一種誤解。

之所以會有這種誤解：主要由於碳元素比較穩定，具有易於成型和機械加工的特性，可能會產生“碳芯片的製程難度低於矽芯片”的誤解；因此有傳言稱碳基芯片的製造完全可以繞過複雜的EUV光刻設備，石墨烯晶圓也將實現碳基晶片的量產。

但與矽基晶片的發展軌跡類似，想要生產、研發碳基晶片，就必須有一套與之相符的完整產業鏈與大量的研發人員。碳基晶片只是在同等性能​​的前提下，製程難度低於矽晶片，如同為10nm製程，碳基晶片的性能大概是矽晶片性能的5到10倍，但不管是哪種材料，要想生產7nm及以下的晶片，在當前條件下只有一條路，那就是通過EUV光刻機。

但近幾年，中國各企業和科研院所一直在石墨烯領域集結發力，我國自主研發完成的8吋石墨烯晶圓，不管是性能或尺寸，都處於國際頂尖水平，華為首次公開的石墨烯場效電晶體專利，也標誌著中國在晶片研究領域進入了一個全新的開始。截至2021年底，中國石墨烯專利技術申請量約佔全球的80%，相關產品市場規模已達160億元。

因此，對於天津大學突破解決石墨烯帶隙這一關鍵問題，當然是一項重大成果，可以說解決了石墨烯半導體應用里程碑式的問題，使得石墨烯半導體真正有希望了。但我們也應該看到石墨烯半導體規模生產和應用還有很長的路要走，目前還是要埋頭研發，找到一個真正的應用突破口，最終目標並不是完全替代矽，而是創造出一條路屬於“石墨烯半導體”的道路。（飆叔科技洞察）