“神奇材料”叩开碳基半导体时代大门，“中国芯”能否实现弯道超车

DT半导体材料 2024-03-18 18:47

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摩尔定律“续命”

长期以来，取之不尽的硅都是半导体产业离不开的基础材料，现在的我们已经根本无法想象没有硅基芯片的生活。在过去的半个世纪中，摩尔定律屡试不爽，引领着半导体产业的飞速发展。但是，半导体行业也要尊重物理定律，即芯片不可能无限地缩小，摩尔定律迟早要被逼到尽头。

业内的共识是，当硅基芯片触及10nm以下，就会受到受到材料、器件等的限制，芯片就会出现量子隧穿导致的漏电效应和短沟道效应等问题——换句话说，就是电流的通断不好控制、容易出错，电流控制出错，那还怎么表示0和1？

为了延续和拓展摩尔定律，也为了满足新时代的算力需求，业界开始不断探索新半导体材料的可能性。碳基材料得到关注。

所有碳基材料中，石墨烯半导体的研究应用恐怕更值得关注。不久前，天津大学教授马雷团队联合美国佐治亚理工学院教授Walter de Heer团队，宣布研制出全球首个由石墨烯材料制成的功能性半导体。

石墨烯作为“神奇材料”为什么适合应用于集成电路产业？这就要从石墨烯的神奇发现说起。

2004年，曼彻斯特大学和俄国切尔诺戈洛夫卡微电子工艺研究所的两组物理团队共同合作，利用胶带”撕开-粘贴-撕开"这种粗糙但有效的方式制备出石墨烯材料，这个发现不仅给两位科学家带来了诺贝尔物理学奖，还打开了材料科学的新方向：二维材料。

二维材料石墨烯

理论上，如果用石墨烯制作晶体管，可以使电子能够真正在芯片的层次上各行其道而互不干扰。同时，它的散热性能非常优异，从而提升芯片的稳定性和寿命。从制造角度看，也不需要高温高压，更适合柔性、超薄芯片。

这也好那也好。又是什么阻碍了石墨烯半导体的应用？那就是石墨烯应用于半导体最致命的缺点，没有“能带间隙”（band gap）。

从金属到半导体，硬造？

合格的半导体在外界的刺激下，被激发电子会从一个能量带跃迁到另一个能量带，这就可以有效打开和关闭电流，从而控制导电开关。

而石墨烯是一种零带隙材料，且石墨烯薄片上的褶皱、圆丘和孔洞都会对电流产生不同寻常的影响，导致其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。这也就意味着，它无法像硅一样借由通电和断电表示0和1，也就没办法制成晶体管。

中美研究团队联合研制的石墨烯功能性半导体的最大价值，就是打开了石墨烯的能量间隙。研究人员利用硅原子比碳原子蒸发率高这一特点，加热碳化硅晶片；在硅蒸发后，晶体表面就留下了一个石墨烯多层。第一层是绝缘的“外延石墨烯”层，这一层相当于是“长”在碳化硅晶体上的一层石墨烯，它与晶体上的碳原子是键合状态。原子间的作用，让这层外延石墨烯的能带产生了分裂，生生造出来了一个能带间隙。

尽管已经走出实用化第一步，但从其他新材料的经验来看，想让石墨烯半导体真正走进千家万户还有10到20年的时间，毕竟硅深入各领域也花费了百年。

第四届碳基半导体材料与器件产业发展论坛（CarbonSemi 2024）

4月25-26日，DT新材料“助力碳基半导体产业化进程”为主题，联合宁波材料所、甬江实验室、宁波工程学院等团队，在宁波，共同主办第四届碳基半导体材料与器件产业发展论坛（CarbonSemi 2024），将针对“碳基半导体如何从实验室走到产业化？碳基材料在现有的半导体产业链中如何定位，从哪些角度可以结合？碳基半导体的优势应用如何最大化落地？关键装备与工艺如何创新匹配产业发展需求？……”系列问题展开深入讨论，同时聚焦功率半导体、晶圆加工、柔性电子等产业应用点，力邀国际知名院士专家、重点科研单位科研专家和企业界精英，共谋碳基材料高端应用发展思路，力促碳基电子产业健康快速发展。