碳基晶片新突破，我國8寸石墨烯晶圓有望量產，性能將提升10倍

人類最偉大的發明是什麼？不是汽車和飛機，而是晶片；晶片的集成化程度越高，產品的體積就會越小，性能也會越來越強。但是矽基晶片發展到現在，受到矽材料本身的性能限制，2nm或是其開發的極限。目前我們一直在尋找一種新材料的電晶體，用來代替矽基成為未來晶片的新材料，而被稱為21世紀的神奇材料—「石墨烯」成為全球科學家們研究的對象。

在2020中國國際石墨烯創新大會上，我國就展示了以石墨烯為材料的8英寸石墨烯單晶晶圓，這是我國在高質量石墨烯材料研究領域的創新成果。並且該科研團隊已經完成了小批量生產，標誌著我國石墨烯晶圓無論在產品尺寸還是質量上都處於國際「領跑」水平。

什麼是石墨烯晶圓

傳統的晶圓是晶片生產中使用的矽晶片，主要原材料是沙子，沙子被提煉之後形成超高純度的多晶矽，然後通過熔煉、加入籽晶等方式後被拉成單晶矽錠，最後再通過打磨、切割後形成晶圓；晶片中的上百億顆電晶體就是在上面通過溶解、刻蝕的一系列先進的生產工藝後製作而成的，目前國內主要使用的晶圓大小一般為8寸和12寸。

石墨烯晶圓的製作方法有所不同，其採用是通過在襯底上製備石墨烯的方法，將半導體或絕緣材料作為襯底，用來支撐晶圓上的器件，並且保證他們互不導通。目前生產技術比較成熟的是在Cu、Cu/Ni等金屬襯底上生產石墨烯的工藝，該工藝均可以得到結晶質量好的滿單層石墨烯。當然，由於金屬上生長的石墨烯在進行後續的應用中不可避免的需要將其從金屬襯底轉移到目標襯底，在此過程中會帶來破損、褶皺、界面汙染、金屬殘留等問題，而在非金屬基絕緣晶圓襯底表面直接生長石墨烯，可以得到覆蓋度100%、無需轉移、無金屬殘留的石墨烯晶圓，產品的良率更高。

目前石墨烯晶圓的生產方式種類也有很多，科學家們也在尋找一種能夠批量化生產的技術，北京大學、北京石墨烯研究院的劉忠範與孫靖宇教授在對非金屬基石墨烯晶圓CVD製備的研究上，發明了一種基於傳熱和氣體流動性質原理的石墨烯晶圓批量化製備方法，每一批次可以生產出30片4英寸的石墨烯晶圓。而這種方法也可以用在其他非金屬襯底上面，為我國未來石墨烯晶圓批量化提供了一種經濟化生產的新途徑。

石墨烯電晶體

晶圓想要做成晶片，就需要在上面搭建出半導體電晶體，根據上海集成電路研發中心有限公司一項「石墨烯FinFET電晶體及其製造方法」的專利(公布號:CN107256887A )是這樣介紹的：

石墨烯電晶體的製作方法需要在石墨烯晶圓的石墨烯Fin薄膜上，通過離子注入工藝對石墨烯Fin薄膜進行調整，形成溝道和源極、漏極，然後分別沉積柵介質、柵電極等層次，再通過沉積和平坦化鍵合介質(第一介質)來鍵合另外一襯底，接著去除金屬襯底，實現將石墨烯Fin薄膜轉移到帶有圖形的襯底上面應用於鰭式場效應電晶體中作為溝道材料，從而提高了電晶體的電學性能。

目前全球90%以上的集成電路發展都源於矽基CMOS技術，國際半導體技術線路圖（ITRS）委員會首次明確指出在2020年左右矽基CMOS技術將達到其性能極限。石墨烯電晶體和碳納米電晶體成為未來晶片的主要研究方向之一，這兩者同樣都是由碳元素電晶體構成，所以被人們稱之為碳基晶片。

我國石墨烯晶圓的發展歷史

我國每年的晶片需求量巨大，但由於製作設備和工藝的缺失，90%以上晶片依賴於進口，國產晶片自給率不足三成，據2015的數據統計，我國大陸晶片的產業進口花費高達2307億美元，比原油進口總額高出1.7倍。為了彌補這種局面，除了在現有的晶片生產工藝中繼續研究和突破，還需要在未來的晶片材料中開始研發。2009年由中科院上海微系統所組建的科研團隊開始對石墨烯等碳基材料能否實現電子器件集成化的研究，該研究的目的主要是讓石墨烯材料替代當前的矽基材料，讓我們在下一代新材料晶片的研究道路上能夠彎道超車。

中科院上海微系統所副研究員吳天如曾說過：「想要製作開啟微電子技術變革，就必須製備出大尺寸、高質量的石墨烯單晶晶圓」。通過10多年的研究，在升級晶圓級石墨烯單晶的可控制備，從生長出單層，到單晶，再到原子級平整的大面積晶圓，中科院上海微系統團隊終於讓之前只能從用膠帶剝離出幾微米的石墨烯樣品，升級成可規模生產的8英寸石墨烯晶圓。

除了石墨烯晶圓上面的突破，中科院院士彭練矛在基於石墨烯碳基納米管晶片的研究上也取得了突破，花費近20年的時間，該團隊終於研究出一種新型的碳基半導體體，並且通過升級碳納米管的提存工藝，使得碳納米管純度已經達到了99.99995%，而碳納米電晶體的速度比普通的矽電晶體速度要快上10倍以上，但是功耗只有其十分之一，性能遠超傳統的矽基材料，並且已經具備批量生產的基礎。

碳基晶片量產難在哪裡？

目前來說，我國已經初步具備了碳基晶片規模化生產的能力，那為什麼不讓碳基晶片走出實驗室代替矽基晶片使用呢，這裡需要考慮的是製作工藝和集成度的問題，石墨烯碳納米電晶體和矽電晶體工作方式一樣，擁有場效應管的特性，只能執行開關(01)的二進位操作，只是材料的導電性能上面更加優越，所以也需要受到摩爾定律的限制，電晶體數量越多，性能越強。

而目前的碳基晶片還屬於發展初期，電晶體大小和數量都不能和現在5nm矽基晶片的生產工藝相比，據了解，目前的碳基集成電路的性能只能處於Intel上世紀90年代左右的水平，碳基晶片性能想要達到目前的水準，至少還需要5-10年的發展。這需要在未來的生產和使用中慢慢磨合升級，並且隨著碳基晶片的集成度越來越高，性能也會越來越強。

最後說一下

我國在碳基晶片領域的不斷突破，也證實了未來碳基晶片發展的可能性，在新一代的晶片材料中，我國已處於領先地位。碳基材料的晶片也是世界各國爭先發展研發的產品，我國科學家取得如此成就卻屬不易，在未來的晶片發展中，我國將迎來一個全新的發展機會。