石墨烯晶元和硅晶元相比有什麼特性和優勢？

目前對石墨烯的展望有很多，從晶元到電池到燈泡，甚至說未來石墨烯晶元頻率可以達到300GHz。但對石墨烯晶元的特性和優勢目前沒有一個系統的介紹，比如石墨烯晶元和硅晶元相比在電子遷移中是不是也有損耗發熱？到達極限工藝後石墨烯晶元是不是也會有量子隧穿效應？二維的石墨烯是如何做到硅晶體管的柵極開關的？另外拓撲絕緣體和石墨烯是什麼關係？

---

2015-10-29

石墨烯因其超薄結構以及優異的物理特性, 在 FET 應用上展現出了優異的性能和誘人的應用前景. 如 Obradovic 等研究發現，與碳納米管相比，石墨烯 FET 擁有更低的工作電壓﹔Wang
等所製備的柵寬10nm 以下的石墨烯帶FET 的開關比達 10E7﹔Wu 等採用熱蒸發 4H-SiC 外延生長的石墨烯製備的FET，其電子和空穴遷移率分別為 5400
和 4400
cm2/(V·s)，比傳統半導體材料如SiC 和Si 高很多﹔Lin
等製備出柵長為 350 nm 的高性能石墨烯 FET，其載流子遷移率為 2700 cm2/(V·s)，截止頻率為 50 GHz，並在後續研究中進一步提高到 100 GHz﹔Liao 等所製備的石墨烯 FET 的跨導達 3.2 mS/μm，並獲得了迄今為止最高的截止頻率 300 GHz，遠遠超過了相同柵長的 Si-FET (~40GHz)。然而, 由於石墨烯的本徵能隙為零，並且在費米能級處其電導率不會像一般半導體一樣降為零，而是達到一個最小值，這對於製造晶體管是致命的，為石墨烯始終處於「開」的狀態。

另外，帶隙為零意味著無法製作邏輯電路，這成為石墨烯應用於晶體管等器件中的主要困難和挑戰。因此, 如何實現石墨烯能帶的開啟與調控，亟待研究和解決。據文獻報道，一般採用兩種方法實現石墨烯能帶的開啟與調控，即﹕摻雜改性和形貌調控。Nature Nanotechnology評論明確指出﹕要深入挖掘石墨烯的優異物理特性，以製備高性能石墨烯 FET，其重要基礎和關鍵之一是獲得寬度與厚度(即層數)可控的高質量石墨烯帶狀結構。帶狀石墨烯因其固有而獨特的狹長「扶椅」或「之」狀邊緣結構效應、量子限域效應而具有豐富的能帶結構，其能隙隨著石墨烯的寬度減小而增大，且和石墨烯的厚度密切相關，成為石墨烯 FET溝道材料的理想選擇。

納米碳材料，特別是石墨烯具有極其優異的電學、光學、磁學、熱學和力學性能，是理想的納電子和光電子材料。石墨烯具有特殊的幾何結構，使得費米面附近的電子態主要為擴展π態。由於沒有表面懸掛鍵，表面和納米碳結構的缺陷對擴展π態的散射幾乎不太影響電子在這些材料中的傳輸，室溫下電子和空穴在石墨烯中均具有極高的本徵遷移率 (大於 100000 cm2/(V?s))，超出最好的半導體材料(典型的硅場效應晶體管的電子遷移率為 1000 cm2/(V?s))。作為電子材料，石墨烯可以通過控制其結構得到金屬和半導體性管。在小偏壓的情況下，電子的能量不足以激發石墨烯中的光學聲子，但與石墨烯中的聲學聲子的相互作用又很弱，其平均自由程可長達數微米，使得載流子在典型的幾百納米長的石墨烯器件中呈現完美的彈道輸運特徵。典型的金屬性石墨烯中電子的費米速度為 υF= 8×10E5 m/s，室溫電阻率為 ρ = 10E6 Ω-cm，性能優於最好的金屬導體，例如其電導率超過銅。由於石墨烯結構中的C–C鍵是自然界中最強的化學鍵之一，不但具有極佳的導電性能，其熱導率也遠超已知的最好的熱導體，達到 6000 W/mK。此外石墨烯結構沒有金屬中的那種可以導致原子運動的低能缺陷或位錯，因而可以承受超過 10E9 A/cm2 的電流，遠遠超過集成電路中銅互連線所能承受的 10E6
A/cm2 的上限，是理想的納米尺度的導電材料。理論分析表明，基於石墨烯結構的電子器件可以有非常好的高頻響應，對於彈道輸運的晶體管其工作頻率有望超過 THz, 性能優於所有已知的半導體材料。

現代信息技術的基石是集成電路晶元，而構成集成電路晶元的器件中約90%是源於硅基 CMOS(complementary metal-oxide-semiconductor)，互補金屬-氧化物-半導體)技術，而硅基 CMOS技術的發展在 2005年國際半導體技術路線圖
(International Technology Roadmap for Semiconductors, ITRS)宣布將在 2020 年達到其性能極限。原因在 CMOS 技術的核心是高性能電子 (n-)型和空穴 (p-)型場效應晶體管 (field effect transistor, FET)的製備，以及將這兩種互補的場效應晶體管集成的技術。隨著晶體管尺度的縮小，器件加工的均勻性問題變得越來越嚴重，其中最為重要的是器件的加工精度和摻雜均勻性的問題。採用傳統的微電子加工技術，目前最好的加工精度約為 5
nm。隨著器件尺度的不斷縮小，對應的晶體管通道的物理長度僅為十幾納米，場效應晶體管源漏電極之間的載流子通道的長度的不確定性將不再可以忽略不計，所以半導體材料中的摻雜均勻性問題將是另一個難以克服的問題。

這個領域的主流方向一直是沿用硅基技術的思路，即通過摻雜，例如 K摻雜來製備石墨烯 n型器件，但結果都不盡如人意。其中主要的問題是石墨烯具有一個非常完美的結構，表面完全沒有懸掛鍵，一般不和雜質原子成鍵，是自然的本徵材料。採用與石墨烯結合較弱的 K 原子摻雜結果一是不穩定，二是很難控制，不大可能滿足高性能集成電路的要求。2005 年美國 Intel 公司 Chau 等人對納米電子學的發展狀況進行了總結, 他們對石墨烯基器件的主要結論是: 雖然其 p 型晶體管的性能遠優於相應的硅基器件, 但其 n 型石墨烯晶體管的性能則遠遜於相同尺寸的硅基器件。集成電路的發展要求性能匹配的 p 型和 n 型晶體管，n 型碳石墨烯晶體管性能的落後嚴重製約了石墨烯電子學的發展, 發展穩定的高性能 n 型石墨烯器件成了 2005 年之後石墨烯 CMOS 電路研究領域最重要的課題之一。

從目前石墨烯電子學已經取得的進展來看，至少有兩個重要的方面是可以確認的。第一是石墨烯器件相對於硅基器件來說具有更好的特性，無論是速度、功耗還是可縮減性，而且可以被推進到8
nm甚至 5 nm 技術節點，這正是 2020
年之後數字電路的目標。第二是石墨烯的數字集成電路的方案是可行的。在實驗室人們已經實現各種功能的電路，原則上已經可以製備任意複雜的集成電路，特別是 2013
年 9月 26日美國斯坦福大學的研究人員在《Natures》雜誌上報道採用碳納米管製造出由 178 個晶體管組成的計算機原型。雖然目前這個原型機尚在功耗、速度方面不能和基於硅晶元模式的先進計算機比肩，但這項工作在國際上引起了巨大反響, 使得人們看到了碳基電子學時代初露的曙光。IBM發表的系統計算表明，石墨烯基的晶元不論在性能和功耗方面都將比硅基晶元有大幅改善。例如，從硅基 7 nm 到 5 nm技術，晶元速度大約有 20%的增加。但石墨烯 7
nm技術較硅基 7 nm 技術速度的提高高達 300%，相當 15 代硅基技術的改善。

目前石墨烯材料的主要挑戰來源於規模生產面臨的高可控性材料加工問題，即必須在絕緣襯底上定位生長出所需管徑大小的半導體石墨烯。但是到目前為止，對石墨烯生長進行嚴格的控制還是沒有實現。另一個問題是供應鏈的問題，硅的成本及穩定性的優勢還在，晶元廠及封裝廠誰願意開第一槍，就讓我們拭目以待。

---

報告看點梳理：

①石墨烯行業概況及四大主流製備方法優劣對比

②劃分石墨烯製備生產和具體應用兩大產業鏈分析，細分電子器件、能源領域及其他領域

③國家地區政府、科研機構以及跨國企業均積極投身石墨烯行業，「新材料之王」飽受追捧！

④知名投資機構布局及地域分布

⑤79家石墨烯行業關聯企業介紹及融資信息

原文及完整版報告鏈接：石墨烯行業研究報告（附79家關聯企業介紹）

「黑金」 「新材料之王」石墨烯異軍突起！

2015年11月30日，工信部、發改委、科技部聯合印發《關於加快石墨烯產業創新發展的若干意見》。意見指出，要把石墨烯產業打造成先導產業，到2018年，實現石墨烯材料穩定生產；到2020年，實現石墨烯材料標準化，形成若干家具有核心競爭力的石墨烯企業。

目前石墨烯已經被研發人員廣泛應用於電子科技、網路通訊、潔凈能源、生物醫學、航天軍工、複合材料以及智能家居等諸多領域。

我國對石墨烯領域的研究與開發較早地就給予了關注。2012年以來我國累計出台10餘項石墨烯相關政策。

十三五規劃等一系列文件也都將石墨烯納入大力發展的新材料領域。機構預測，2017年我國石墨烯市場總體規模有望突破100億元。石墨烯行業發展提速，相關公司有望受益。

獲取完整版報告內容請戳鏈接：石墨烯行業研究報告（附79家關聯企業介紹）

---

推薦閱讀：