石墨烯會是下一代晶片的發展方向嗎？

2019年，在工信部公布的《重點新材料首批次應用示範指導目錄（2019年版）》中，包括高效能石墨烯散熱複合膜、石墨烯改性防腐塗料、石墨烯改性潤滑材料、石墨烯散熱材料、石墨烯發熱膜、石墨烯導熱複合材料、石墨烯改性無紡布、石墨烯改性電池、石墨烯改性發泡材料共九種石墨烯材料入選，‍「新材料之王」之名非石墨烯莫屬。

石墨烯，因其擁有獨特的物理性能而被廣泛關注。它是目前世界上已知最薄、最堅硬、導電性和導熱性最好的材料，「多才多藝」的性質使得石墨烯有著廣闊的應用前景，可以運用在計算機晶片上，大幅度提高計算速度。用石墨烯作為導電添加劑，可以顯著提高鋰電池的充電速度和綜合性能。所以人們稱它為會改變世界的材料。

中國經濟信息社在常州發布的《2018—2019中國石墨烯發展年度報告》顯示，我國石墨烯產業前景廣闊，產業規模持續增長。據中信證券統計，2018年我國石墨烯產業規模約為111億元，較2017年增長41億元，同比增長58%。2018年以來，石墨烯粉體和薄膜的生產規模進一步擴大。隨著石墨烯粉體和薄膜研發生產技術的成熟和市場規模的擴大，我國在複合材料、大健康、電子信息、儲能等方面的石墨烯應用已起步。未來石墨烯在新能源汽車、海洋工程、能源發展、高端裝備、環境治理等領域的應用將進一步深入，石墨烯市場規模將不斷擴大，有望成為各個細分領域不可或缺的部分。‍

2016年以前，晶片行業內有聲音認為：7nm是矽晶片工藝的物理極限。而現在，7nm製程的矽晶片已經問世，新的聲音又出現了：3nm才是極限。但3nm以下的晶片該怎麼發展？對此，目前各大半導體廠商都沒有明確的答案。晶片產業發展面臨瓶頸，推出新的架構是一大解決方案，但更「根本」的辦法，或許是找到能夠替代矽的新材料。

晶片發展的趨勢，可以簡單總結為：體積更小、性能更強。要朝這個方向發展，就要讓晶片單位面積上集成的元器件數量更多。元器件尺寸越小，晶片上能集成的元器件就自然越多，當然這同時也意味著更高的製造難度。這就好比房間越來越小，但裡面要裝的東西卻越來越多，不管採用什麼樣的「收納」方式，總有一天，這個房間會「過載」。漏電和散熱不佳，就是矽晶片「過載」產生的問題。

實際上，這兩個問題並不是在當前晶片製程工藝走到了7nm這一時期才突然出現的。在矽晶片發展歷程中，這樣的問題也多次出現，但各大廠商都用各種方式巧妙解決了。運用新的材料，就是其中一種方法，比如用鍺矽等元素作為信道的材料。但如何將不同的材料整合到矽基板上，也是一項挑戰。即使現在的7nm晶片並沒有像過去預測的那樣，達到矽晶片的物理極限，但矽的物理極限是必然存在的。晶片的下一個「根本性」的突破，就是找到新的材料。‍

二維超導材料，是時下半導體行業討論的熱門話題。二維材料包括石墨烯、磷烯、硼烯等，這些材料更有希望成為主流材料。其中，石墨烯是最突出的一個。之所以看好石墨烯，是因為它除了「二維」這個屬性外，還有一個身份——碳納米材料。早在2012年，IEEE（電氣和電子工程師協會）就在《超越摩爾》中寫道，未來半導體工業可能從「矽時代」進入「碳時代」。碳納米材料石墨烯可能在未來代替原來的矽基材料。

碳納米管是由石墨烯片捲成的無縫、中空的管體，導電性能極好，而且管壁很薄。因此，理論上在同樣的集成度下，碳納米管晶片能比矽晶片更小。此外，碳納米管本身產熱很少，加上有良好的導熱性，因此能夠減少能耗。另外，從開採成本考量，碳的分布廣泛，獲取成本並不高。更重要的是，石墨烯作為人類最早發現的二維材料，其應用已經在屏幕、電池、可穿戴設備上出現，石墨烯的研究已經到了相對成熟的階段。因此，石墨烯最為有望成為新的主流晶片材料，取代矽的地位。‍

目前中國自主研發的傳統晶片，還在28nm到14nm製造工藝的商業化量產轉化過程中，與國際先進水平還有較大的差距。但這都是建立在矽作為晶片主要材料的基礎上來說的，如果未來碳納米材料能夠成為主流，那麼中國是否有機會在這個節點上實現彎道超車？中國的碳納米管器件研究與國際前沿水平差距不大。國際上最早實現碳納米管器件製備的是IBM，2017年IBM通過使用碳納米管將電晶體尺寸縮小到40nm；同年，北京大學研製了120nm的碳納米管電晶體，在0.8伏特電壓下的跨導，為已發表的碳納米管器件中的最高值。

但任何技術的發展都不會一帆風順。石墨烯在晶片製造領域的應用面臨著三大難題：首先，目前高純度的石墨烯還比較難獲得；其次，石墨烯晶圓的製造也十分困難，雖然現在中國已經率先實現石墨烯單晶晶圓的規模化製備，但在當前的製作工藝下，還是容易出現褶皺、點缺陷和汙染的情況；最後，要讓納入器件的石墨烯能夠繼續保持其優良的性能，其他相關的製作工藝和材料也需要與之配套迭代，才能保證以石墨烯為原料的晶片得以穩定運行。

簡單總結來說，石墨烯還是一個比較新的材料。要想讓石墨烯能夠真正替代矽，成為晶片的主流材料，在製造工藝以及配套器件的技術跟進上，還有許多難題需要解開。對中國而言，在技術新舊交替的節點上，無疑存在著彎道超車的機會。但需要正視的問題是：國內對新概念往往過於狂熱。石墨烯在晶片等眾多領域確實大有潛力，但從發現潛力到產業化，中間需要的是腳踏實地的研究，也需要大眾對新技術研發失敗的包容。

中國晶片的彎道超車，需要的不僅僅是「新」材料，更需要的是「新」的產學研體系以及更加開放包容的投資環境。‍