近日，中美科学家首次合成了石墨烯半导体，这是一种可能为下一代超级计算机提供更高性能芯片的重大进步。

石墨烯是一种由单层碳原子构成的二维材料，它的厚度仅为人类头发的百万分之一，但却比钢铁更坚固，而且具有极高的导电性和抗热性。

自从 2004 年被发现以来，石墨烯就被誉为“奇迹材料”，并被寄予了在电子学、能源、医疗等领域的广泛应用的期望。

石墨烯的电子性能是其最引人注目的特点之一。石墨烯上的电子可以以接近光速的速度移动，这意味着它可以实现非常快的信号传输和数据处理。

石墨烯还具有很高的载流子密度，也就是每单位面积上的可移动电子的数量，这决定了它可以承受很大的电流。此外，石墨烯还有很好的热导率，可以有效地散发热量，避免过热的问题。

这些特性使得石墨烯在电子学领域有着巨大的潜力，尤其是在计算机芯片的制造上。

如果能够用石墨烯代替硅，那么计算机的性能将会得到极大的提升，同时也能够节省能源和空间，实现更高效和更小型的电子设备。


硅材料的限制

从第一台晶体管电视的出现，到如今的超大规模集成电路（VLSI），硅一直是我们信赖的伙伴。在过去的几十年里，硅已经在半导体制程中取得了无数的成功，支持了各种各样的电子设备。

然而，随着技术的不断发展，硅面临着越来越大的挑战。


A. 物理限制：微型化的挑战

随着半导体技术的进步，设备的微型化已成为制程发展的重要趋势。然而，硅作为半导体材料，面临着微型化的物理限制。这个问题被称为摩尔定律的尽头。

摩尔定律预测，半导体设备的集成度每18到24个月就会翻倍。换句话说，随着制程技术的发展，晶体管的尺寸会越来越小。然而，当晶体管的尺寸缩小到一定程度，即接近硅原子的大小时，量子效应开始显现，使得传统的物理规则失效。这使得晶体管的性能无法通过进一步微型化得到提升，甚至可能因为量子隧穿效应导致设备出现错误。


B. 经济限制：制程复杂性和成本问题

随着半导体制程技术的进步，设备的制造过程也变得越来越复杂。例如，目前最先进的极紫外线（EUV）光刻技术，需要复杂的设备和高精度的操作，大大增加了制造过程的复杂性和成本。据估计，10纳米以下的制程，每个晶圆工厂的建设成本可能高达数十亿美元。

此外，随着设备微型化，设备的制造难度也在不断增加，导致废品率的上升，从而进一步增加了制造成本。因此，即使硅作为原料相对便宜，但由于制程的复杂性和高成本，硅的经济优势正在逐渐减弱。

C. 性能限制：功耗、频率等方面的问题

在性能方面，硅也面临着一些限制。一方面，随着设备微型化，晶体管的功耗问题变得越来越严重。由于硅的亚微米特性，导致晶体管在关闭状态下仍然会有一定的漏电流，这使得设备的功耗在微型化的过程中不断增加。

另一方面，硅晶体管的工作频率也面临着限制。随着制程技术的发展，硅晶体管的尺寸越来越小，但是它的工作频率并没有相应地提高。这是因为，当晶体管的尺寸缩小，其内部的电阻和电容会增加，使得晶体管的开关速度受到限制，从而限制了设备的工作频率。


第三代半导体材料崛起

随着4G、5G通讯的迅速发展、同时人类生产生活科技化与信息化程度越来越高，电子信息技术产业在近几十年呈现迅速发展态势。而在技术迅猛发展的背后，是半导体材料的三次重要阶段性发展。第一代半导体材料以硅（Si）和锗（Ge）为代表，已在集成电路、航空航天、新能源和硅光伏产业中得到广泛应用并取得了卓越成效，目前仍是半导体产业的主流。随后，以砷化镓（GaAs）和磷化铟（InP）为代表的第二代化合物半导体材料因其在高频、高效率和低噪声指数等方面远超于Si，被广泛应用于微波毫米波器件以及发光器件中，主要用于制备高频、高速、大功率和发光电子器件。然而，随着未来电子器件在更高频率、更高功率和更高集成度等方面的要求，第一、二代半导体材料由于其自身材料固有特性的限制已变得力不从心。

在这种情况下，第三代化合物半导体材料——碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）等材料进入了大众的视线。与前两代半导体材料相比，宽禁带半导体材料因其在禁带宽度和击穿场强等方面的优势以及耐高温、耐腐蚀、抗辐射等特点，非常适合更小体积、更轻重量、更高效率、更大功率的电子电力器件制备，在无线基础设施、军事和宇航、卫星通信和功率转换等高频、高温、高功率工作领域有着显著的优势，是5G移动通信、新能源汽车、智慧电网等前沿创新领域的首选核心材料和器件，已成为当今世界各国争相研究的科研热点和重点。从目前来看，研究较为成熟的是SiC和GaN材料。


硅以外的半导体材料选择

A. III-V族半导体：性能优势与制程挑战

III-V族半导体是指元素周期表中III族和V族元素组成的半导体材料，如砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）等。相比于硅，III-V族半导体拥有更高的电子迁移率，这意味着在相同的电压下，电子在III-V族半导体中的运动速度更快，因此可以实现更高的开关速度和更低的功耗。然而，III-V族半导体的制程技术复杂，与现有的硅基工艺兼容性差，这大大增加了其工业化应用的难度。

B. 铁电材料：低功耗的可能性

铁电材料是指具有自发极化并且这种极化可以被电场反转的材料。铁电RAM（FeRAM）就是利用铁电材料的这种特性制成的。FeRAM在数据读取和写入时的功耗极低，且能实现非易失性存储。目前，FeRAM主要用于低功耗和高速度的内存应用，但其潜力还远未被完全挖掘。


C. 二维材料：潜力与挑战

二维材料是指在三维空间中只有两个维度大于原子尺度的材料，例如石墨烯。石墨烯具有超高的电子迁移率、优异的热导率以及良好的机械强度等特性，被认为是硅的理想替代者。然而，石墨烯无能隙特性使得其在逻辑应用中面临困难，同时其生产工艺复杂，大面积生产难度高。


D. 有机半导体：灵活性和环境友好性

有机半导体是由有机分子或聚合物构成的半导体材料，如有机场效应晶体管（OFETs）等。有机半导体具有质轻、柔韧、可制备透明以及生产成本低等优点，非常适合于制作柔性电子设备。然而，有机半导体的稳定性和电子迁移率通常低于无机半导体，因此在性能上还需进一步提高。


E. 新型材料：拓扑材料、氮化镓等

拓扑材料是指一类新型的量子材料，它们的表面态是无能隙的，而体态是有能隙的。这种特性使得拓扑材料有可能用于制造更低功耗、更高性能的电子设备。

氮化镓（GaN）是一种宽带隙半导体材料，具有高热导率、高电子饱和速度以及高击穿电场等特性，适用于高频、高功率和高温应用。

以上各种半导体材料，都有可能成为硅的替代者，但同时也面临着各自的挑战。在选择适合的半导体材料时，需要根据具体的应用需求，考虑材料的性能、工艺复杂性以及经济因素。