石墨烯半導(dǎo)體問世：超越硅芯片？

曾文仁

生長在碳化硅襯底芯片上的石墨烯器件

近期，天津大學(xué)旗下天津納米顆粒與納米系統(tǒng)國際研究中心，與美國佐治亞理工學(xué)院創(chuàng)造出世界首個(gè)由石墨烯制成的功能半導(dǎo)體。

研究團(tuán)隊(duì)在科學(xué)雜志《自然》發(fā)表題為《碳化硅上的超高遷移率半導(dǎo)體外延石墨烯》的論文，指團(tuán)隊(duì)已發(fā)現(xiàn)一種特別的方法，能在有機(jī)薄膜覆蓋的碳化硅晶圓上，生產(chǎn)石墨烯物料。

天津納米顆粒與納米系統(tǒng)國際研究中心執(zhí)行主任馬雷向媒體解釋，產(chǎn)出的石墨烯物料既具備容許電子流動(dòng)的“帶隙”，同時(shí)保有石墨烯高電子遷移率的材料特性—未來若能在工業(yè)上應(yīng)用，有望成為更優(yōu)秀的半導(dǎo)體材料，而成本與現(xiàn)今流行的材料接近。

這是一項(xiàng)具相當(dāng)專業(yè)性的基礎(chǔ)材料學(xué)研究發(fā)現(xiàn)。可是，社會(huì)大眾和媒體在討論時(shí)，卻出現(xiàn)不少近乎斷章取義式的轉(zhuǎn)述。甚至在過分夸張的渲染下，石墨烯半導(dǎo)體仿佛成為中國突破半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)封鎖、并能反過來卡住歐美國家脖子的“黑科技”。

這類評(píng)論盡管點(diǎn)出半導(dǎo)體材料的重要性，但論證過程過份簡化芯片產(chǎn)業(yè)各生產(chǎn)工序的復(fù)雜性，配上莫名其妙的偷換概念，形成不少令人費(fèi)解的推論。是故，有必要對(duì)剛剛問世的石墨烯半導(dǎo)體，做些微基礎(chǔ)性的科普。

半導(dǎo)體“越導(dǎo)電越好”？

或許我們?nèi)粘５挠懻撚迷~不嚴(yán)謹(jǐn)，把半導(dǎo)體、芯片和積體電路視作三位一體的同義詞，可在不同語境相互切換的情況下，這會(huì)引起不少混淆。

所謂半導(dǎo)體，是指我們教科書里常見論述的，介乎于導(dǎo)體（金屬）與絕緣體（木）之間的化學(xué)物質(zhì)。三者之間的分別在于電阻率不同，亦即電子流動(dòng)的難易度各異?，F(xiàn)今被用作制造芯片的硅物質(zhì)就是半導(dǎo)體。半導(dǎo)體可以只是一塊形狀不規(guī)則的物質(zhì)，與我們想象的芯片和積體電路相距甚遠(yuǎn)。

有評(píng)論提及，石墨烯半導(dǎo)體的電子遷移率高（即電阻較低），電子流動(dòng)高，因此制造出的芯片性能較硅芯片強(qiáng)?？墒?，若電子流動(dòng)高就是性能強(qiáng)的芯片，那最佳的芯片材料應(yīng)是導(dǎo)體而非半導(dǎo)體。當(dāng)今芯片的原材料是半導(dǎo)體，可見這種“電子流動(dòng)越高越好”的簡化論述并不全面、準(zhǔn)確。

日本多摩大學(xué)榮譽(yù)教授井上伸雄在《圖解半導(dǎo)體》書中提及，隨著溫度上升，金屬的導(dǎo)電率會(huì)下降，但半導(dǎo)體在200攝氏度以下的狀態(tài)下，導(dǎo)電率會(huì)隨溫度上升而增加。

讓電子更容易通過半導(dǎo)體是好事，但溫度是一變量，“越導(dǎo)電性能越好”的說法有謬誤。石墨確實(shí)是介乎導(dǎo)體與半導(dǎo)體之間的物質(zhì)，因此對(duì)于天津大學(xué)團(tuán)隊(duì)的研發(fā)，更為準(zhǔn)確的表述應(yīng)為，讓石墨變得更具備半導(dǎo)體特性。

可是，從半導(dǎo)體材料，變成一般理解的芯片尚有一大段制程，此時(shí)就以電子遷移率高等于性能較佳的推論，未免略顯武斷。

基礎(chǔ)學(xué)術(shù)發(fā)明只是第一步

“半導(dǎo)體的歷史，就是學(xué)習(xí)半導(dǎo)體的捷徑。”《圖解半導(dǎo)體》作者如是說?？疾旖袢展杈w的普及過程，有助我們進(jìn)一步了解芯片材料對(duì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的作用。芯片的作用是讓人類能夠使用電力—而控制電流亦即電子的流動(dòng)，是一項(xiàng)主要功能。芯片制造原材料的特性，與提升芯片的效能有所關(guān)聯(lián)。

《芯片戰(zhàn)爭》作者克里斯·米勒指出，二次大戰(zhàn)后期控制電力的，首先是體積龐大無比的真空管，后來是以鍺制成的電晶體，再者才是今日普遍的硅晶體。從真空管至電晶體，學(xué)術(shù)理論研究和電晶體的發(fā)明只是第一步，真正的挑戰(zhàn)在于能夠量產(chǎn)銷售，壓低生產(chǎn)成本，并實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。

70多年前的科學(xué)家，很早就了解到，硅比鍺更適合用作芯片制造材料。舉例來說，鍺制電晶體在超過70攝氏度時(shí)，便無法正常運(yùn)作；硅制電晶體在125度高溫下仍能正常運(yùn)作，也可以使用較高的電壓。

石墨原料

“電子流動(dòng)越高越好”的簡化論述并不全面、準(zhǔn)確。

可是，1950年代的技術(shù)難以獲得高純度的硅單晶，故需要退而求其次，使用熔點(diǎn)較低、較容易制成高純度單晶的鍺。隨著技術(shù)進(jìn)步，硅單晶的取得變得更容易，才逐漸使硅晶抬頭，取代鍺成為芯片的主要原材料。

鍺制芯片一度流行的事實(shí)，說明單純依賴半導(dǎo)體材料的特性，不足以使之成為主流。取得材料的難易度和成本，可以左右芯片產(chǎn)業(yè)發(fā)展的方向。

硅和鍺的陳年往事，能為今日“石墨烯能否取代硅”的討論為借鑒。天津大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)在基礎(chǔ)研究取得突破后，所謂“石墨烯半導(dǎo)體尚需10～15年落地”的說法，可以理解為仍需處理眾多量產(chǎn)和商業(yè)化的難題。

我們需要面對(duì)諸如大規(guī)模采集、加工、儲(chǔ)存等難題，以及與之相關(guān)的成本考慮，不能單憑材料特性就斷定，石墨烯適合大規(guī)模制造芯片。

石墨（上層）和硅（下層）兩種半導(dǎo)體材料的分子結(jié)構(gòu)模型

真正的挑戰(zhàn)在于能夠量產(chǎn)銷售，壓低生產(chǎn)成本，并實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。

或許從一個(gè)更“扯”的反例，我們更能理解半導(dǎo)體材料與生產(chǎn)技術(shù)、成本的關(guān)系殊不簡單?！秷D解半導(dǎo)體》書中，有一章提及鉆石可耐高溫、高電壓、散熱容易等材料特點(diǎn)，可算是“究極的”半導(dǎo)體，與石墨更是同屬碳基物質(zhì)。

可是，我們都知道鉆石采集成本高昂，而且用于制造戒指、項(xiàng)鏈等首飾的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于半導(dǎo)體—若今天有人打算用鉆石制造半導(dǎo)體，說是芯片的未來，大半會(huì)被視作腦子進(jìn)水且不解溫柔的科學(xué)怪人吧？

電子遷移率高＝運(yùn)算速度更快？

關(guān)于石墨烯芯片的討論，不少媒體報(bào)道指，電子遷移率高代表運(yùn)算速度更快。從半導(dǎo)體材料具備更高的導(dǎo)電性或電阻較低的特性，就斷定制成芯片的運(yùn)算速度較快或性能較佳，跳過了太多的步驟，亦未免過分夸大了這種可能性。

一些報(bào)道更采用“誤導(dǎo)性遺漏”的手法，刻意不提及電子遷移率高，是代表電子流動(dòng)速度很快；而電子流動(dòng)的性能佳，并不意味著運(yùn)算速度和性能突出—這使得讀者有可能會(huì)自行“腦補(bǔ)”心中所想的結(jié)論。

一塊芯片的運(yùn)算速度受眾多技術(shù)細(xì)節(jié)影響。自電路設(shè)計(jì)、微影制程或光刻，至晶圓切割、封裝，芯片制造涵蓋數(shù)百項(xiàng)制程，涉及甚為復(fù)雜的生產(chǎn)工具，每一步的技術(shù)都在影響最終制成品的運(yùn)算。

石墨烯芯片若要成為商業(yè)化的芯片材料，在每一段制程都需要作詳細(xì)的可行性研究，經(jīng)多次測(cè)試、調(diào)整參數(shù)后，方能進(jìn)入量產(chǎn)階段。

石墨烯芯片到底更適合于7納米以下的先進(jìn)制程，還是更適合14納米以上的成熟制程，電路能否沿用硅晶體的設(shè)計(jì)，或是微影制程能不能繞過極紫外光（EUV）技術(shù)，這些都是未知之?dāng)?shù)。

科學(xué)需要大膽假設(shè)，小心求證，但過分跳躍式的推論，恐怕更接近天馬行空式的幻想。

制作石墨烯晶片的特殊熔爐

石墨烯芯片能突破技術(shù)封鎖？

有評(píng)論指出，中國石墨存量豐富，若石墨烯芯片成為產(chǎn)業(yè)主流，中國可利用管制出口石墨等方法，反制美國的制裁。

這種手法如同中國今天管制稀土出口的處理方法。據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局?jǐn)?shù)據(jù)，中國的石墨產(chǎn)量確實(shí)為世界第一，2022年的出口量全球占65%?？墒?，截至2022年底，全球已探明天然石墨資源儲(chǔ)量約為3.3億噸，中國的儲(chǔ)量位列世界第三，亦只占15.8%。這代表世界各國很容易能找到替代進(jìn)口來源，管制出口這一招數(shù)作用大減。

退一步而言，從石墨變成石墨烯，再變成芯片的制程，涉及不少技術(shù)和成本考量。單憑石墨產(chǎn)量，就認(rèn)為中國可在這未來可能的產(chǎn)業(yè)中，具備能卡別國脖子的宰制地位，論證也未免過分粗疏。

若說在遙遠(yuǎn)的未來，有望制成運(yùn)算較快的石墨烯芯片，我們尚能寄托于時(shí)代進(jìn)步的可能性?？墒?，把石墨烯芯片看作短期打破美國技術(shù)封鎖的評(píng)論，也未免低估現(xiàn)行芯片制造行業(yè)生態(tài)的復(fù)雜性，以及中國產(chǎn)業(yè)面對(duì)的挑戰(zhàn)。

翻查媒體報(bào)道，2021年也曾傳出中芯國際開始進(jìn)軍石墨烯芯片市場，未來有望彎道超車反壓歐美國家一頭類似的消息。中芯國際后來表示，目前業(yè)務(wù)未涉及石墨烯晶圓領(lǐng)域，形同否認(rèn)與石墨烯晶圓相關(guān)的傳聞。

踏入2024年，石墨烯芯片變成能夠突破荷蘭阿斯麥EUV光刻機(jī)技術(shù)瓶頸的利器。這傳聞?wù)娲_與否，從國內(nèi)對(duì)EUV技術(shù)討論的往績而言，恐怕需要打上一個(gè)大問號(hào)。

芯片制造制程繁復(fù)，產(chǎn)業(yè)高度分工，幾乎每一項(xiàng)工序都有各種來自世界各地的材料、機(jī)器。即便我們非常樂觀地認(rèn)為，石墨烯芯片不一定需要EUV技術(shù)，例如使用較普及的深紫外光（DUV）技術(shù)，但生產(chǎn)良率、成本、交付時(shí)間都是問題。

除美國外，日本、歐洲各國也掌握不少技術(shù)優(yōu)勢(shì)，為中國產(chǎn)業(yè)帶來風(fēng)險(xiǎn)。日本是芯片原材料和處理技術(shù)大國，在各制程林林總總的封膜、藥水等細(xì)節(jié)，都可能存在技術(shù)瓶頸，也可能讓中國芯片業(yè)被卡脖子。

歐洲國家也可能在汽車、特殊工業(yè)用芯片制造等領(lǐng)域占優(yōu)勢(shì)，也難保不會(huì)再發(fā)現(xiàn)一個(gè)如EUV般的工具難題。料敵從寬，判己從嚴(yán)，才是我們面對(duì)不利國際情勢(shì)的應(yīng)有心態(tài)。

我們不嫌其煩強(qiáng)調(diào)石墨烯芯片面對(duì)的困難，目的是希望讀者認(rèn)清國際形勢(shì)比人強(qiáng)，國產(chǎn)芯片企業(yè)普遍受制于人的事實(shí)，從而避免盲目樂觀的浮夸風(fēng)氣彌漫社會(huì)，阻礙科技發(fā)展的理性討論。

把單一技術(shù)突破說得神乎其技，容易讓人忽略產(chǎn)業(yè)的復(fù)雜性以及風(fēng)險(xiǎn)所在，陷入自我催眠的困境，變成心靈雞湯或網(wǎng)絡(luò)“爽文”。

談?wù)摪雽?dǎo)體技術(shù)發(fā)展時(shí)，我們應(yīng)切忌“一本正經(jīng)地胡說八道”，浪費(fèi)國人的時(shí)間精力和媒體的公共資源。

責(zé)任編輯吳陽煜 wyy@nfcmag.com