什么是石墨烯材料

石墨烯是一種二維晶體，人們常見(jiàn)的石墨是由一層層以蜂窩狀有序排列的平面碳原子堆疊而形成的，石墨的層間作用力較弱，很容易互相剝離，形成薄薄的石墨片。當(dāng)把石墨片剝成單層之后，這種只有一個(gè)碳原子厚度的單層就是石墨烯。

自從石墨烯在2003年被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，研究者發(fā)現(xiàn)它具有優(yōu)異的強(qiáng)度、導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性。最后一種性質(zhì)使得這種材料非常適合用來(lái)制作電路中的微小接觸點(diǎn)，但最理想是用石墨烯自己制成電子元件——特別是晶體管。

要做到這點(diǎn)，石墨烯不僅需要充當(dāng)導(dǎo)體，也要有半導(dǎo)體的功能，這是電子元件需要進(jìn)行的通斷切換操作的關(guān)鍵。半導(dǎo)體由其帶隙所定義的，帶隙指的是激發(fā)一個(gè)電子，讓它從不能導(dǎo)電的價(jià)帶躍遷到可以導(dǎo)電的導(dǎo)帶所需要的能量。帶隙必須足夠大，這樣來(lái)使得晶體管開(kāi)和關(guān)之間的狀態(tài)才對(duì)比明顯，這樣它才能準(zhǔn)確無(wú)誤地處理信息。

常規(guī)的石墨烯是沒(méi)有帶隙的——它特殊的波紋狀價(jià)帶和導(dǎo)帶實(shí)際上是連在一起的，這使得它更像是金屬。盡管如此，科學(xué)家們?cè)噲D分開(kāi)這兩個(gè)帶。通過(guò)把石墨烯制造成奇特的形狀，如帶狀，目前最高可以讓帶隙達(dá)到100meV，但這對(duì)電子工程應(yīng)用來(lái)說(shuō)還是太小了。

相對(duì)于通過(guò)前端設(shè)計(jì)提升微結(jié)構(gòu)來(lái)提高芯片性能，通過(guò)后端設(shè)計(jì)來(lái)提升主頻顯然更加簡(jiǎn)單粗暴，研發(fā)周期也更短(微結(jié)構(gòu)研發(fā)一般要3年)，更適合商業(yè)推廣。

硅基材料集成電路主頻越高，熱量也隨之提高，并最終撞上功耗墻。目前硅基芯片最高的頻率是在液氮環(huán)境下實(shí)現(xiàn)的8.4G，日常使用的桌面芯片主頻基本在3G到4G，筆記本電腦為了控制CPU功耗，主頻普遍控制在2G到3G之間。

但如果使用石墨烯材料，那么結(jié)果就可能不同了。因?yàn)橄鄬?duì)于現(xiàn)在普遍使用的硅基材料，石墨烯在室溫下?lián)碛?0倍的高載流子遷移率，同時(shí)具有非常好的導(dǎo)熱性能，芯片的主頻理論上可以達(dá)到300G，并且有比硅基芯片更低的功耗——早在幾年前，IBM在實(shí)驗(yàn)室中的石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管主頻達(dá)155G。

因此，在前端設(shè)計(jì)水平相當(dāng)?shù)那闆r下，使用石墨烯制造的芯片要比使用硅基材料的芯片性能強(qiáng)幾十倍，隨著技術(shù)發(fā)展，進(jìn)一步挖掘潛力，性能可能會(huì)是傳統(tǒng)硅基芯片的上百倍!同時(shí)還擁有更低的功耗。

石墨烯芯片的機(jī)會(huì)與挑戰(zhàn)

石墨烯因其超薄結(jié)構(gòu)以及優(yōu)異的物理特性，在 FET 應(yīng)用上展現(xiàn)出了優(yōu)異的性能和誘人的應(yīng)用前景. 如 Obradovic 等研究發(fā)現(xiàn)，與碳納米管相比，石墨烯 FET 擁有更低的工作電壓﹔Wang等所制備的柵寬 10nm 以下的石墨烯帶 FET 的開(kāi)關(guān)比達(dá) 10e7﹔Wu 等采用熱蒸發(fā) 4H-SiC 外延生長(zhǎng)的石墨烯制備的 FET，其電子和空穴遷移率分別為 5,400 和 4,400cm2/(V·s)，比傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料如 SiC 和 Si 高很多﹔Lin 等制備出柵長(zhǎng)為 350nm 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，并在后續(xù)研究中進(jìn)一步提高到 100 GHz﹔Liao 等所制備的石墨烯 FET 的跨導(dǎo)達(dá) 3.2 mS/μm，并獲得了迄今為止最高的截止頻率 300 GHz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了相同柵長(zhǎng)的 Si-FET (~40GHz)。

然而, 由于石墨烯的本征能隙為零，并且在費(fèi)米能級(jí)處其電導(dǎo)率不會(huì)像一般半導(dǎo)體一樣降為零，而是達(dá)到一個(gè)最小值，這對(duì)于制造晶體管是致命的，為石墨烯始終處于“開(kāi)”的狀態(tài)。

另外，帶隙為零意味著無(wú)法制作邏輯電路，這成為石墨烯應(yīng)用于晶體管等器件中的主要困難和挑戰(zhàn)。因此, 如何實(shí)現(xiàn)石墨烯能帶的開(kāi)啟與調(diào)控，亟待研究和解決。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，一般采用兩種方法實(shí)現(xiàn)石墨烯能帶的開(kāi)啟與調(diào)控，即﹕摻雜改性和形貌調(diào)控。Nature Nanotechnology 評(píng)論明確指出﹕要深入挖掘石墨烯的優(yōu)異物理特性，以制備高性能石墨烯 FET，其重要基礎(chǔ)和關(guān)鍵之一是獲得寬度與厚度(即層數(shù))可控的高質(zhì)量石墨烯帶狀結(jié)構(gòu)。帶狀石墨烯因其固有而獨(dú)特的狹長(zhǎng)“扶椅”或“之”狀邊緣結(jié)構(gòu)效應(yīng)、量子限域效應(yīng)而具有豐富的能帶結(jié)構(gòu)，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(guān)，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(yōu)異的電學(xué)、光學(xué)、磁學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)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(jié)構(gòu)，使得費(fèi)米面附近的電子態(tài)主要為擴(kuò)展π態(tài)。由于沒(méi)有表面懸掛鍵，表面和納米碳結(jié)構(gòu)的缺陷對(duì)擴(kuò)展 π 態(tài)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征遷移率 (大于 100000 cm2/(V·s))，超出最好的半導(dǎo)體材料(典型的硅場(chǎng)效應(yīng)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(guò)控制其結(jié)構(gòu)得到金屬和半導(dǎo)體性管。在小偏壓的情況下，電子的能量不足以激發(fā)石墨烯中的光學(xué)聲子，但與石墨烯中的聲學(xué)聲子的相互作用又很弱，其平均自由程可長(zhǎng)達(dá)數(shù)微米，使得載流子在典型的幾百納米長(zhǎng)的石墨烯器件中呈現(xiàn)完美的彈道輸運(yùn)特征。典型的金屬性石墨烯中電子的費(fèi)米速度為 υF= 8×10e5 m/s，室溫電阻率為 ρ = 10E6 Ω-cm，性能優(yōu)于最好的金屬導(dǎo)體，例如其電導(dǎo)率超過(guò)銅。由于石墨烯結(jié)構(gòu)中的 C–C 鍵是自然界中最強(qiáng)的化學(xué)鍵之一，不但具有極佳的導(dǎo)電性能，其熱導(dǎo)率也遠(yuǎn)超已知的最好的熱導(dǎo)體，達(dá)到 6,000 W/mK。

此外石墨烯結(jié)構(gòu)沒(méi)有金屬中的那種可以導(dǎo)致原子運(yùn)動(dòng)的低能缺陷或位錯(cuò)，因而可以承受超過(guò) 10e9 A/cm2 的電流，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)集成電路中銅互連線所能承受的 10e6A/cm2 的上限，是理想的納米尺度的導(dǎo)電材料。理論分析表明，基于石墨烯結(jié)構(gòu)的電子器件可以有非常好的高頻響應(yīng)，對(duì)于彈道輸運(yùn)的晶體管其工作頻率有望超過(guò) THz, 性能優(yōu)于所有已知的半導(dǎo)體材料。

現(xiàn)代信息技術(shù)的基石是集成電路芯片，而構(gòu)成集成電路芯片的器件中約 90% 是源于硅基 CMOS(complementary metal-oxide-semiconductor)，互補(bǔ)金屬-氧化物-半導(dǎo)體)技術(shù)，而硅基 CMOS技術(shù)的發(fā)展在 2005年國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)路線圖 (International Technology Roadmap for Semiconductors, ITRS)宣布將在 2020 年達(dá)到其性能極限。原因在 CMOS 技術(shù)的核心是高性能電子 (n-)型和空穴 (p-)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (field effect transistor, FET)的制備，以及將這兩種互補(bǔ)的場(chǎng)效應(yīng)晶體管集成的技術(shù)。

隨著晶體管尺度的縮小，器件加工的均勻性問(wèn)題變得越來(lái)越嚴(yán)重，其中最為重要的是器件的加工精度和摻雜均勻性的問(wèn)題。采用傳統(tǒng)的微電子加工技術(shù)，目前最好的加工精度約為 5nm。隨著器件尺度的不斷縮小，對(duì)應(yīng)的晶體管通道的物理長(zhǎng)度僅為十幾納米，場(chǎng)效應(yīng)晶體管源漏電極之間的載流子通道的長(zhǎng)度的不確定性將不再可以忽略不計(jì)，所以半導(dǎo)體材料中的摻雜均勻性問(wèn)題將是另一個(gè)難以克服的問(wèn)題。

這個(gè)領(lǐng)域的主流方向一直是沿用硅基技術(shù)的思路，即通過(guò)摻雜，例如 K 摻雜來(lái)制備石墨烯 n型器件，但結(jié)果都不盡如人意。其中主要的問(wèn)題是石墨烯具有一個(gè)非常完美的結(jié)構(gòu)，表面完全沒(méi)有懸掛鍵，一般不和雜質(zhì)原子成鍵，是自然的本征材料。采用與石墨烯結(jié)合較弱的 K 原子摻雜結(jié)果一是不穩(wěn)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(guó) Intel 公司 Chau 等人對(duì)納米電子學(xué)的發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行了總結(jié), 他們對(duì)石墨烯基器件的主要結(jié)論是: 雖然其 p 型晶體管的性能遠(yuǎn)優(yōu)于相應(yīng)的硅基器件, 但其 n 型石墨烯晶體管的性能則遠(yuǎn)遜于相同尺寸的硅基器件。集成電路的發(fā)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后嚴(yán)重制約了石墨烯電子學(xué)的發(fā)展, 發(fā)展穩(wěn)定的高性能 n 型石墨烯器件成了 2005 年之后石墨烯 CMOS 電路研究領(lǐng)域最重要的課題之一。

從目前石墨烯電子學(xué)已經(jīng)取得的進(jìn)展來(lái)看，至少有兩個(gè)重要的方面是可以確認(rèn)的。第一是石墨烯器件相對(duì)于硅基器件來(lái)說(shuō)具有更好的特性，無(wú)論是速度、功耗還是可縮減性，而且可以被推進(jìn)到 8nm 甚至 5nm 技術(shù)節(jié)點(diǎn)，這正是 2020 年之后數(shù)字電路的目標(biāo)。第二是石墨烯的數(shù)字集成電路的方案是可行的。

在實(shí)驗(yàn)室人們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)各種功能的電路，原則上已經(jīng)可以制備任意復(fù)雜的集成電路，特別是 2013 年 9月 26日美國(guó)斯坦福大學(xué)的研究人員在《Natures》雜志上報(bào)道采用碳納米管制造出由 178 個(gè)晶體管組成的計(jì)算機(jī)原型。雖然目前這個(gè)原型機(jī)尚在功耗、速度方面不能和基于硅芯片模式的先進(jìn)計(jì)算機(jī)比肩，但這項(xiàng)工作在國(guó)際上引起了巨大反響, 使得人們看到了碳基電子學(xué)時(shí)代初露的曙光。

IBM 發(fā)表的系統(tǒng)計(jì)算表明，石墨烯基的芯片不論在性能和功耗方面都將比硅基芯片有大幅改善。例如，從硅基 7 nm 到 5nm技術(shù)，芯片速度大約有 20%的增加。但石墨烯 7nm 技術(shù)較硅基 7nm 技術(shù)速度的提高高達(dá) 300%，相當(dāng) 15 代硅基技術(shù)的改善。

目前石墨烯材料的主要挑戰(zhàn)來(lái)源于規(guī)模生產(chǎn)面臨的高可控性材料加工問(wèn)題，即必須在絕緣襯底上定位生長(zhǎng)出所需管徑大小的半導(dǎo)體石墨烯。但是到目前為止，對(duì)石墨烯生長(zhǎng)進(jìn)行嚴(yán)格的控制還是沒(méi)有實(shí)現(xiàn)。另一個(gè)問(wèn)題是供應(yīng)鏈的問(wèn)題，硅的成本及穩(wěn)定性的優(yōu)勢(shì)還在，芯片廠及封裝廠誰(shuí)愿意開(kāi)第一槍，就讓我們拭目以待。