近日，中美科學家首次合成了石墨烯半導體，這是一種可能為下一代超級計算機提供更高性能芯片的重大進步。

石墨烯是一種由單層碳原子構成的二維材料，它的厚度僅為人類頭發的百萬分之一，但卻比鋼鐵更堅固，而且具有極高的導電性和抗熱性。

自從 2004 年被發現以來，石墨烯就被譽為“奇跡材料”，并被寄予了在電子學、能源、醫療等領域的廣泛應用的期望。

石墨烯的電子性能是其最引人注目的特點之一。石墨烯上的電子可以以接近光速的速度移動，這意味著它可以實現非常快的信號傳輸和數據處理。

石墨烯還具有很高的載流子密度，也就是每單位面積上的可移動電子的數量，這決定了它可以承受很大的電流。此外，石墨烯還有很好的熱導率，可以有效地散發熱量，避免過熱的問題。

這些特性使得石墨烯在電子學領域有著巨大的潛力，尤其是在計算機芯片的制造上。

如果能夠用石墨烯代替硅，那么計算機的性能將會得到極大的提升，同時也能夠節省能源和空間，實現更高效和更小型的電子設備。


硅材料的限制

從第一臺晶體管電視的出現，到如今的超大規模集成電路（VLSI），硅一直是我們信賴的伙伴。在過去的幾十年里，硅已經在半導體制程中取得了無數的成功，支持了各種各樣的電子設備。

然而，隨著技術的不斷發展，硅面臨著越來越大的挑戰。


A. 物理限制：微型化的挑戰

隨著半導體技術的進步，設備的微型化已成為制程發展的重要趨勢。然而，硅作為半導體材料，面臨著微型化的物理限制。這個問題被稱為摩爾定律的盡頭。

摩爾定律預測，半導體設備的集成度每18到24個月就會翻倍。換句話說，隨著制程技術的發展，晶體管的尺寸會越來越小。然而，當晶體管的尺寸縮小到一定程度，即接近硅原子的大小時，量子效應開始顯現，使得傳統的物理規則失效。這使得晶體管的性能無法通過進一步微型化得到提升，甚至可能因為量子隧穿效應導致設備出現錯誤。


B. 經濟限制：制程復雜性和成本問題

隨著半導體制程技術的進步，設備的制造過程也變得越來越復雜。例如，目前最先進的極紫外線（EUV）光刻技術，需要復雜的設備和高精度的操作，大大增加了制造過程的復雜性和成本。據估計，10納米以下的制程，每個晶圓工廠的建設成本可能高達數十億美元。

此外，隨著設備微型化，設備的制造難度也在不斷增加，導致廢品率的上升，從而進一步增加了制造成本。因此，即使硅作為原料相對便宜，但由于制程的復雜性和高成本，硅的經濟優勢正在逐漸減弱。

C. 性能限制：功耗、頻率等方面的問題

在性能方面，硅也面臨著一些限制。一方面，隨著設備微型化，晶體管的功耗問題變得越來越嚴重。由于硅的亞微米特性，導致晶體管在關閉狀態下仍然會有一定的漏電流，這使得設備的功耗在微型化的過程中不斷增加。

另一方面，硅晶體管的工作頻率也面臨著限制。隨著制程技術的發展，硅晶體管的尺寸越來越小，但是它的工作頻率并沒有相應地提高。這是因為，當晶體管的尺寸縮小，其內部的電阻和電容會增加，使得晶體管的開關速度受到限制，從而限制了設備的工作頻率。


第三代半導體材料崛起

隨著4G、5G通訊的迅速發展、同時人類生產生活科技化與信息化程度越來越高，電子信息技術產業在近幾十年呈現迅速發展態勢。而在技術迅猛發展的背后，是半導體材料的三次重要階段性發展。第一代半導體材料以硅（Si）和鍺（Ge）為代表，已在集成電路、航空航天、新能源和硅光伏產業中得到廣泛應用并取得了卓越成效，目前仍是半導體產業的主流。隨后，以砷化鎵（GaAs）和磷化銦（InP）為代表的第二代化合物半導體材料因其在高頻、高效率和低噪聲指數等方面遠超于Si，被廣泛應用于微波毫米波器件以及發光器件中，主要用于制備高頻、高速、大功率和發光電子器件。然而，隨著未來電子器件在更高頻率、更高功率和更高集成度等方面的要求，第一、二代半導體材料由于其自身材料固有特性的限制已變得力不從心。

在這種情況下，第三代化合物半導體材料——碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）等材料進入了大眾的視線。與前兩代半導體材料相比，寬禁帶半導體材料因其在禁帶寬度和擊穿場強等方面的優勢以及耐高溫、耐腐蝕、抗輻射等特點，非常適合更小體積、更輕重量、更高效率、更大功率的電子電力器件制備，在無線基礎設施、軍事和宇航、衛星通信和功率轉換等高頻、高溫、高功率工作領域有著顯著的優勢，是5G移動通信、新能源汽車、智慧電網等前沿創新領域的首選核心材料和器件，已成為當今世界各國爭相研究的科研熱點和重點。從目前來看，研究較為成熟的是SiC和GaN材料。


硅以外的半導體材料選擇

A. III-V族半導體：性能優勢與制程挑戰

III-V族半導體是指元素周期表中III族和V族元素組成的半導體材料，如砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）等。相比于硅，III-V族半導體擁有更高的電子遷移率，這意味著在相同的電壓下，電子在III-V族半導體中的運動速度更快，因此可以實現更高的開關速度和更低的功耗。然而，III-V族半導體的制程技術復雜，與現有的硅基工藝兼容性差，這大大增加了其工業化應用的難度。

B. 鐵電材料：低功耗的可能性

鐵電材料是指具有自發極化并且這種極化可以被電場反轉的材料。鐵電RAM（FeRAM）就是利用鐵電材料的這種特性制成的。FeRAM在數據讀取和寫入時的功耗極低，且能實現非易失性存儲。目前，FeRAM主要用于低功耗和高速度的內存應用，但其潛力還遠未被完全挖掘。


C. 二維材料：潛力與挑戰

二維材料是指在三維空間中只有兩個維度大于原子尺度的材料，例如石墨烯。石墨烯具有超高的電子遷移率、優異的熱導率以及良好的機械強度等特性，被認為是硅的理想替代者。然而，石墨烯無能隙特性使得其在邏輯應用中面臨困難，同時其生產工藝復雜，大面積生產難度高。


D. 有機半導體：靈活性和環境友好性

有機半導體是由有機分子或聚合物構成的半導體材料，如有機場效應晶體管（OFETs）等。有機半導體具有質輕、柔韌、可制備透明以及生產成本低等優點，非常適合于制作柔性電子設備。然而，有機半導體的穩定性和電子遷移率通常低于無機半導體，因此在性能上還需進一步提高。


E. 新型材料：拓撲材料、氮化鎵等

拓撲材料是指一類新型的量子材料，它們的表面態是無能隙的，而體態是有能隙的。這種特性使得拓撲材料有可能用于制造更低功耗、更高性能的電子設備。

氮化鎵（GaN）是一種寬帶隙半導體材料，具有高熱導率、高電子飽和速度以及高擊穿電場等特性，適用于高頻、高功率和高溫應用。

以上各種半導體材料，都有可能成為硅的替代者，但同時也面臨著各自的挑戰。在選擇適合的半導體材料時，需要根據具體的應用需求，考慮材料的性能、工藝復雜性以及經濟因素。