未来石墨烯能够取代硅作为主流的半导体材料吗？
首先，我们得承认，石墨烯拥有让所有半导体从业者垂涎欲滴的先天优势。想象一下，一种材料，薄如蝉翼，却拥有比钻石更硬的强度；导电导热能力远超铜和银；电子迁移率更是高得离谱，这意味着它能够以惊人的速度传递信号。这些特性，在理论上，为制造更小、更快、更节能的电子器件提供了无限可能。
石墨烯的“超能力”如何转化为半导体优势？
速度的极致追求： 石墨烯的电子迁移率是硅的100倍甚至更多。这意味着在同等条件下，石墨烯基的晶体管可以更快地开关，从而实现更高的时钟频率。对于追求极致性能的处理器而言，这无疑是巨大的诱惑。我们可以想象一下，手机运行程序如流水般顺畅，电脑处理大型任务瞬间完成，游戏体验更是跃升到全新的维度。
功耗的革命性降低： 更快的开关速度还意味着更低的能耗。传统的硅晶体管在高速运行时会产生大量的热量，这不仅浪费能源，也对器件的寿命造成影响。石墨烯由于其优异的导热性，能够更有效地将热量散发出去，同时其高迁移率也允许在较低电压下工作，从而大幅降低功耗。这对于电池续航至关重要，无论是智能手机还是电动汽车，都将从中受益匪浅。
小型化的终极梦想： 随着晶体管尺寸不断缩小，硅的物理极限也逐渐显现。原子层级的尺寸，电子行为变得更加复杂，量子隧穿效应等问题开始困扰设计者。石墨烯作为单原子层厚的材料，天然地具备了实现原子级器件的可能性，为进一步的小型化提供了新的路径。
柔性电子的全新篇章： 硅本质上是刚性的，这限制了其在柔性电子领域的应用。而石墨烯的柔韧性，使其能够被弯曲、折叠，甚至拉伸，为可穿戴设备、柔性显示屏、可植入医疗设备等新兴领域打开了大门。你可以想象一下，手表屏幕可以缠绕在手腕上，衣服里集成了电子传感器和通信模块，手机可以折叠成更小的体积。
然而，从“明星潜力股”到“产业主力军”，石墨烯还有很长的路要走。最大的绊脚石，依然是它自身的一些“硬伤”，以及与硅的深厚“根基”相比所缺乏的“群众基础”。
零带隙的“致命伤”： 尽管电子迁移率惊人，但天然石墨烯的最大的缺点在于它是一个零带隙的半导体。这意味着它没有“开关”，无法有效阻断电流。在半导体器件中，这种“关闭”能力至关重要，它允许晶体管在“关”的状态下几乎不导电，从而实现精确的信号控制。想象一下一个水龙头，如果它无法完全关闭，水就会一直在滴，那将是多么糟糕的体验。目前的硅，正是通过掺杂等技术来形成特定的带隙，从而实现良好的开关特性。
实现稳定高效的制备难题： 虽然实验室里已经有各种方法可以制备高质量的石墨烯，但要实现大规模、低成本、高良率的工业化生产，仍然是一个巨大的挑战。目前主流的制备方法如化学气相沉积（CVD）虽然能得到高质量的石墨烯，但过程复杂、成本较高，且在转移到衬底时容易引入缺陷。而剥离法制备的石墨烯尺寸小、质量参差不齐。这就像你有一个绝世秘籍，但如果无法大规模推广印刷，它的价值就会大打折扣。
如何与现有硅基技术兼容？ 半导体产业已经围绕着硅建立了庞大而成熟的生态系统，包括制造设备、工艺流程、设计工具以及大量的知识产权。任何一种新材料想要取代硅，都必须考虑如何与之兼容，或者至少能够无缝集成到现有体系中。直接替换硅，意味着整个庞大的产业链都需要重塑，这需要的投资和时间是天文数字。目前的石墨烯研究，更多的是在探索如何将其作为辅助材料，例如用于提高硅器件的导热性能或作为接触层。
工艺集成与可靠性挑战： 将石墨烯集成到复杂的半导体制造流程中，还需要解决一系列工艺上的挑战。例如，如何精确地图案化石墨烯，如何在其表面进行高质量的掺杂，如何确保其长期工作的稳定性和可靠性，这些都是需要深入研究和解决的问题。
成本是绕不过的坎： 即便克服了技术上的困难，石墨烯的成本问题也可能成为推广的巨大阻碍。如果石墨烯基的器件比硅基器件贵上几倍甚至几十倍，那么即便是性能上有优势，也难以在消费级市场普及。
那么，未来的可能性在哪里？
尽管挑战重重，但人们对石墨烯的探索从未停止，未来的出路也并非一片灰暗。与其说石墨烯是直接“取代”硅，不如说是“与其共存，互相促进”的可能性更大。
1. “类硅”石墨烯的诞生： 科研人员正在积极探索如何为石墨烯引入带隙。例如，通过在石墨烯的结构中引入缺陷，或者制造“二维纳米带”和“量子点”，都可以有效地打开其带隙，使其具备良好的开关特性。一旦能够稳定高效地制造出具有合适带隙的石墨烯材料，它在逻辑器件方面的潜力将得到极大的释放。
2. “混合动力”的未来： 更现实的路径可能是将石墨烯作为一种高性能的补充材料，与硅基技术相结合。例如：
高速传输的“加速器”： 在硅基处理器中，一些关键的互联线和接触层可以使用石墨烯来提高信号传输速度和降低功耗。
散热的“超级卫士”： 利用石墨烯优异的导热性，将其作为散热层集成到芯片封装中，解决高性能计算带来的散热难题。
存储和传感器的“新宠”： 石墨烯在非易失性存储器、传感器等领域也展现出巨大的潜力，这些领域可能成为石墨烯率先实现商业化的突破口。
3. 专注于特定领域： 石墨烯可能不会成为所有领域的“通用半导体”，但它可以在一些对性能有极致要求的领域，如高端服务器、高性能计算、人工智能芯片等，扮演重要角色。同时，在柔性电子、物联网设备等新兴领域，石墨烯的独特优势将使其更具竞争力。
总结来说，说石墨烯“取代”硅，这个说法或许过于绝对和简单化。 硅作为一种成熟、稳定且成本可控的半导体材料，其在现有产业生态中的根基深厚，短时间内难以被完全颠覆。更准确的描述是，石墨烯正以其独特的优势，逐步渗透到半导体产业的各个角落，与硅形成一种“合作共赢”的局面，共同推动电子技术的进步。
未来，我们可能会看到一个“混合”的半导体世界，高性能的石墨烯器件在特定领域大放异彩，而传统的硅基技术则继续在主流市场发挥余热。石墨烯是否能成为“主流”材料，很大程度上取决于其在制备、改性以及与现有技术融合方面的突破。这是一个充满挑战但又充满希望的未来，我们值得拭目以待。
网友意见
2020-10-24
前几天从两个方面核实了，台积电这几年每年都投入几个亿进行石墨烯半导体的先期研究，人家一向都很低调，在没有拿到台面的成果前，是不会正式对外宣称的！
2020-10-20
10／18 日举行的 2020 中国国际石墨烯创新大会上，超平铜镍合金单晶晶圆、8 英寸石墨烯单晶晶圆、锗基石墨烯晶圆等新材料亮相，展示了我国在高质量石墨烯材料领域的创新成果。
目前，一些基于石墨烯、用于数据通信的电子组件正在业界进行原型演示。其中，电子和光子组件已集成到传输系统中并经过验证，可实现高速、低功耗的数据/电话通信。石墨烯光电探测器的光电模块，可检测从可见光到热范围的整个波段的光。因此，它们有望为夜视、光谱学和热成像技术提供有成本竞争力的产业应用。此外，原子层薄的石墨烯材料可以充当各种物理参数（化学成分、湿度、温度、应变等）的强大传感器，这些单片感应平台与射频识别天线结合使用，能用作远程可读探测器。
2020-10-03
谢谢知友的反馈，提供从晶体管跳跃到逻辑 IC 的思路，我会在适当时候启动后续项目，不过，还是得伯乐愿意从渠道去支撑这件事才行！
2020-10-02
这才是真正的问题所在！
2020-08-19
半导体材料的范畴很广，我自己就规划了二极体、MEMS、晶体管、芯片、光电子器件及存储器，还不包括传感器，因为我另外归纳成一大类。先不说 OLED／LED（二极体）、MEMS（微机电系统）、晶体管及光电子器件我们已经通过 pilot run了，我听胡南涛老师说上海交大也已经完成 90nm 的石墨烯芯片试样了，真心不知怎么还有人站着说话不腰疼，总把「错觉」当「知识」用。
石墨烯 LED 器件
这部分先不谈导热材料，连曼彻斯特大学在 2015 年都已经发表了石墨烯灯泡，且东旭光电的 LED 路灯都交付使用了，怎么大家还在状况外。Kun Xu 等（2016）利用一维 ZnO 纳米棒和二维石墨烯薄膜混合结构，发现使用 ZnO 纳米棒可以提高器件的 30％ 光提取效率。（注 1）
石墨烯 NEMS／MEMS（纳米／微机电）器件
据 MEMS Consulting 报道，石墨烯廠商 Graphenea 公司与 Infineon Technologies、WITec、RWTH Aachen University 和 Simune Atomistics 等工业和学术界伙伴合作，宣布成功完成了 NanoGraM 项目，该项目专注于基于石墨烯的 NEMS／MEMS（纳米／微机电）器件研究。NanoGraM 项目为未来的潜在应用重点关注的三类特定器件包括：石墨烯麦克风、石墨烯膜压力传感器和石墨烯膜霍尔传感器。Rahman 等（2016）发现多层石墨烯的应用可以减少残余应力对石墨烯基 MEMS ICP 压阻式压力传感器的影响。通过使用 20 层石墨烯，残余应力从 降低到 。这项研究提出了一种简化的方法，可以通过使用多层石墨烯膜片代替复杂的单层应用方法来生产具有降低压力非线性问题的高灵敏度压力传感器。（注 2）
石墨烯晶体管
Chi Liu 等（2019）演示了一种垂直硅-石墨烯-锗晶体管，其中，实现了由单晶硅和单层石墨烯构成的肖特基发射极。这种肖特基发射极的电流为 ，电容为 ，因此通过使用先前的隧道发射极，晶体管的 alpha 截止频率有望从大约 1MHz 增加到 1GHz 以上（注 3）。这算什么，我的合作伙伴新竹清华大学的邱博文老师都已经具备量产能力了，对了，他是台积电及美国应材的顾问，国际石墨烯界的大佬级人物。
据 MIT 发现，石墨烯技术可以使芯片的速率提升百万倍。这里就要提到「摩尔定律」了，现在台积电之前说要做 2nm 制程，而硅 CPU 制程的极限也就是 3nm，所以另觅碳材是不得不走的道路。目前来看，碳基器件的主要优势一是它能耗更低发热更少，二是它支持低温工艺，可以把电路一层一层叠起来做成三维电路，这点是硅基电路无能为力的，而这两点可以使碳基电路比现有硅有 1,000 倍的性能提升。Yunjo Kim 等（2017）开发了一种利用石墨烯帮助复制生产半导体晶片的方法，这种新方法可以降低晶圆技术的成本，并且使得由昂贵的其他材料制作器件成为可能。（注 4）
石墨烯传感器
Semih Cakmakyapan 等（2018）利用石墨烯、黄金和半导体制程技术开发号称性能大幅改善的光电探测器；这种新型探测器能超越窄频／高灵敏度或宽频／低灵敏度探测器之间的权衡，可在很宽的频谱范围内工作，从可见光到红外线，响应度范围从 0.6A／W（波长 0.8μm）到 11.5A／W（波长 20μm）。（注 5）
石墨烯高速电光调变器（electro-optical modulator）
Morteza 等（2016）使用硅基石墨烯整合一种光学相位延迟（optical phase-delay）元件，可以嵌入波导中作为静电调谐调变器（electrostatically tuned modulator），具有低插损和高折射率特性。（注 6）
石墨烯阻变存储器
He Tian 等（2015）采用了双层石墨烯作为阻变存储器的底电极，实现了通过栅电压调控阻变存储器的存储窗口。这一新型存储器的写电压可在 0.27V-4.5V 之间连续可调，存储窗口可调具有广泛的应用前景，比如低擦写电压可实现系统的低功耗。这一栅控结构还可作为阻变存储器阵列的选通开关，有望替代现有的分立的 1D1R 结构，可对当代高密度存储技术产生革命性影响。（注 7）
或许你会纳闷问到：既然石墨烯那么好，怎么没法看到半导体器件进入市场？在回答你的问题前我先透露一件事实，台积电有台半导体制程设备，中间使用高分子材料作支撑材，如果高分子损坏会碎裂四散，造成整台设备得拆开清理很耗事，而且要求要透明坚韧。邱博文老师帮他们用少層石墨烯薄膜解决了这个问题，一小片薄膜收费 2 万元人民币，对方还觉得很值得！事实上，要改变每个工艺对生产者都是个很大的风险，往往投入试产必须停掉一条线来试样，这些都是成本，所以不到最后关头是不会下决心导入标准制程的。一旦面临技术瓶颈就逃不掉得面对，谁知道这些半导体大厂没有委托相关课题组进行先期评估，据我知道是有的！
Ref.:
1). Solid-State Electronics, 2016, 126: 5-9. | DOI: 10.1016/j.sse.2016.09.021.
2). DOI: 10.1109/biosmart.2016.7835469.
3). Nature Communications, 2019, 10: 4873. | DOI: 10.1038/s41467-019-12814-1.
4). Nature, 2017, 544: 340-343. | DOI: 10.1038/nature22053.
5). Light: Science & Applications, 2018, 7:20. | DOI: 10.1038/s41377-018-0020-2.
6). IEEE Photonics Technology Letters, 2018, 28(24): 2897-2900. | DOI: 10.1109/LPT.2016.2624562.
7). Advanced Materials, 2015, 27: 7767-7774. | DOI: 10.1002/adma.201503125.
分类：民生 >>半导体 >>技术
哎呀妈呀，这都2020年了，怎么还有人用这套忽悠学生。当年老师是怎么忽悠我的，我依然可以倒背如流：
“石墨烯因为其独特的电子结构能够形成狄拉克圆锥，使得其电子质量为零。理论上他的迁移率可以达到无穷大。这就意味着用石墨烯制作的芯片，速度将非常快，同时能耗将非常低。这可以取代现有的硅芯片。创造十万亿的产值”。
“石墨烯是相对论和量子力学最佳的实验平台。研究石墨烯有可能可以弥合相对论和量子力学根本上的分歧，从而构建大一统的物理理论。所以说石墨烯在理论物理上也有着非凡的价值”
当时听完，我整个人就是下面这感觉。
石墨烯的问题总结就一句话：一个材料想要成功商业化，需要多方面条件都满足，而不仅仅是某一方面突出。石墨烯的问题恰恰在此，吹它的人只吹突出的方面，而对真正阻碍的因素避而不谈。
石墨烯是导体，你告诉我怎么做成半导体！？
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