戍天九思：金刚石和石墨烯芯片都有重大突破，谁才是未...

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　　据《科技日报》和路透社报道，近日，中国和美国科研人员联合研制出世界上第一个由石墨烯材料制成的功能性半导体。研究人员表示，这预示着一个电子新时代的到来，它为研制更小、更快、更高效的电子设备铺平了道路。相关论文刚刚发表在权威期刊《自然》杂志上。

　　中美联手找到制作石墨烯半导体的新方法

　　目前，第一代硅基半导体已接近其物理功能的极限，全球都在寻找新一代半导体材料。

　　由中国天津大学和美国佐治亚理工学院科研人员组成的研究团队，找到了一种制作石墨烯半导体的新方法。

　　普通的石墨烯是导体，无法作为半导体使用。如果把碳化硅中的带隙（也叫禁带宽度）成功引入到石墨烯结构中，让石墨烯由导体变成半导体，才能作芯片用。于是，中美科学家联手，使用特殊熔炉在碳化硅晶圆上生长石墨烯取得突破，生产出外延石墨烯，这是在碳化硅晶面上生长的单层材料。

　　研究发现，如果制造方法得当，外延石墨烯会与碳化硅发生化学键结合，就会表现出半导体特性。

　　理想的石墨烯半导体的室温电子迁移率是硅的10倍。这意味着更快的切换速度，可能使得GPU、CPU等设备更高效地完成运算任务。此外，与传统材料相比，石墨烯半导体强大的化学、机械和热性能可以增强电子产品的耐用性和可靠性。

　　研究团队表示，该研究对未来石墨烯电子学真正走向实用化具有重大意义。不过，距离石墨烯半导体完全落地，估计还要10到15年。

　　石墨烯取代硅成为新一代半导体须过三道坎

　　目前，石墨烯要取代硅成为新一代半导体，仍面临诸多难题。

　　一是材料优化坎。理想的石墨烯半导体，需要对碳化硅和石墨烯扬长避短，有两种材料的综合优势：既要有碳化硅半导体一样优良的带隙，又有石墨烯导体一样优良的电子迁移率。目前，中美联手只是找到了制作石墨烯半导体新材料的方法，实验结果还远未达到理想的状态。

　　该方法制备的石墨烯半导体，目前只有0.6 eV带隙和5500cm?/V·s的电子迁移率， 与碳化硅3.2eV的带隙和石墨烯15000cm?/V·s的电子迁移率相比差距很大，需要继续探索改进。但是，现在方法找到了，方向明确了，需要的就是时间。图片

　　二是大规模量产坎。目前，制备高纯度、大面积的石墨烯材料仍是一大挑战。常用的制备方法包括化学气相沉积、剥离法和一些合成方法，成本都较高，而且难以控制石墨烯的厚度和结构。

　　三是加工应用坎。石墨烯不同于硅，它的机械强度和化学稳定性都很高，这就增加了加工和应用方面的难度。

　　全球半导体发展呈现出多代并存的局面

　　根据材料带隙大小，不仅可了解材料性质，而且还可判断半导体的好坏。导体的带隙为0，绝缘体的带隙大于4.5eV，半导体的带隙为0—4.5eV，而且半导体分代也是根据带隙大小划分的。

　　目前，全球半导体市场呈现出一代、二代、三代多代并存的局面。根据Yole统计，硅仍是半导体材料的主流，占比95%。第三代半导体渗透率逐年上升，碳化硅渗透率在2023年有望达到3.75%，氮化镓渗透率在2023年达到1.0%。相较前两代半导体，第三代、第四代半导体物理性能相对更出色，有望在各个领域实现对前两代的全面替代。

　　第一代：以硅和锗半导体为代表。目前，95%的芯片使用硅基半导体制作。大家谈论的光刻机、光刻胶、EDA软件等都属第一代半导体工艺。

　　第二代：以砷化镓半导体为代表。砷化镓材料的电子迁移率约是硅的 6 倍，具有直接带隙，故其器件相对硅基器件具有高频、高速的光电性能，被广泛应用于光电子和微电子领域。该领域应用较窄，目前中国台湾几家公司如稳懋半导体公司是龙头。

　　第三代：以碳化硅、氮化镓半导体为代表。第三代半导体材料带隙大，具有击穿电场高、热导率高、电子饱和速率高、抗辐射能力强等优势，可进一步满足现代工业对于高功率、高电压、高频率的要求，在航空航天、新能源汽车、光伏发电、5G 通讯、国防工业等领域有广阔应用前景。中国与世界巨头们处在同一起跑线上。在氮化镓领域，民用由英诺赛科巨头垄断。中国有镓和锗等产业链优势，军用处于领先地位。如果没有氮化镓芯片，就不可能有高超音速导弹和空警—500预警机等先进装备。

　　▲氮化镓晶圆

　　第四代：以金刚石、氧化镓、氮化铝半导体为代表。具有超宽带隙。金刚石半导体刚刚有所突破。这种超宽带隙半导体将是未来半导体。

　　中国具有发展金刚石芯片得天独特的优势

　　金刚石材料属第四代半导体，它的带隙为5.5eV，电子迁移率高达4500 cm2/V·s，有成为高档半导体材料的潜质。

　　但是，纯净的金刚石属绝缘体，无法作为半导体材料，通过向金刚石结构中掺入氮、硼等元素，可转化为半导体，才能用作芯片。

　　▲在金刚石薄膜上制造的半导体器件

　　日本佐贺大学的研究表明，与现在主流的硅基半导体相比，金刚石半导体可在5倍的高温和33倍的高电压下工作，可在福岛核电站核废料处理等极端恶劣环境下工作，而普通硅基芯片机器人即使外加保护层，也会短时间报废。

　　2023年，中国和美国在研发金刚石半导体材料上几乎同时取得重大突破。

　　★2023年10月27日，华为和哈工大联合申请公布了“一种基于硅和金刚石的三维集成芯片的混合键合方法”专利。也就是说，华为掌握了通过掺杂让金刚石从绝缘体变成半导体的专利技术。

　　★2023年10月，美国一家叫钻石工厂（Diamond Foundry）的公司成功制造出了世界上第一块单晶钻石晶圆，直径100毫米、重110克拉。

　　中国发展金刚石芯片更大的优势在于大规模量产产业链。目前，中国人造钻石产量占全球总产量的90%，其中珠宝级的人造钻石占全球总产量的50%。在中国的产能当中，又有80%位于河南。光是河南商丘，一年的人造钻石产量就高达400万克拉，接近全球总产量的一半。大家惊呼，实现“钻石自由”，就靠我大河南了。

　　目前，碳化硅价格是硅30~40倍，氮化镓价格是硅的650~1300倍，而能造芯片的金刚石材料价格几乎是硅的10000倍。由于金刚石价格很贵，制造出来的芯片也用不起。

　　值得骄傲的是中国制造高纯度、大颗粒技术又有重大突破。中国矿业大学超硬刀具研究所所长邓福铭团队，2023年探索出了一条高温高压制造金刚石的新方法，用铁钴合金催化剂，在5.5万个大气压和1320度的高温下，顺利地合成了直径达到8毫米的大钻石，重量高达3到4克拉，而且没有任何的杂色。这种方法可以大规模、低成本量产，还直接导致2023年宝石级钻石价格迎来史上最大跌幅，全年普遍下跌30-40%，这也为下一步制造金刚石芯片创造了降低成本的条件。当然，目前金刚石的成本还需进一步降低。

　　中国有制造金刚石芯片的专利技术，又有低成本大规模量产金刚石的技术和产业链优势，中国发展金刚石芯片潜力巨大。