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石墨烯会是下一代芯片的发展方向吗?
发布时间:2020-10-21 22:17:29
摘要:中国芯片的弯道超车,需要的不仅仅是“新”材料,更需要的是“新”的产学研体系以及更加开放包容的投资环境。‍

2019年,在工信部公布的《重点新材料首批次应用示范指导目录(2019年版)》中,包括高效能石墨烯散热复合膜、石墨烯改性防腐涂料、石墨烯改性润滑材料、石墨烯散热材料、石墨烯发热膜、石墨烯导热复合材料、石墨烯改性无纺布、石墨烯改性电池、石墨烯改性发泡材料共九种石墨烯材料入选,‍“新材料之王”之名非石墨烯莫属。

 

石墨烯,因其拥有独特的物理性能而被广泛关注。它是目前世界上已知最薄、最坚硬、导电性和导热性最好的材料,“多才多艺”的性质使得石墨烯有着广阔的应用前景,可以运用在计算机芯片上,大幅度提高计算速度。用石墨烯作为导电添加剂,可以显著提高锂电池的充电速度和综合性能。所以人们称它为会改变世界的材料。

 

中国经济信息社在常州发布的《2018—2019中国石墨烯发展年度报告》显示,我国石墨烯产业前景广阔,产业规模持续增长。据中信证券统计,2018年我国石墨烯产业规模约为111亿元,较2017年增长41亿元,同比增长58%。2018年以来,石墨烯粉体和薄膜的生产规模进一步扩大。随着石墨烯粉体和薄膜研发生产技术的成熟和市场规模的扩大,我国在复合材料、大健康、电子信息、储能等方面的石墨烯应用已起步。未来石墨烯在新能源汽车、海洋工程、能源发展、高端装备、环境治理等领域的应用将进一步深入,石墨烯市场规模将不断扩大,有望成为各个细分领域不可或缺的部分。‍

 

2016年以前,芯片行业内有声音认为:7nm是硅芯片工艺的物理极限。而现在,7nm制程的硅芯片已经问世,新的声音又出现了:3nm才是极限。但3nm以下的芯片该怎么发展?对此,目前各大半导体厂商都没有明确的答案。芯片产业发展面临瓶颈,推出新的架构是一大解决方案,但更“根本”的办法,或许是找到能够替代硅的新材料。

  

芯片发展的趋势,可以简单总结为:体积更小、性能更强。要朝这个方向发展,就要让芯片单位面积上集成的元器件数量更多。元器件尺寸越小,芯片上能集成的元器件就自然越多,当然这同时也意味着更高的制造难度。这就好比房间越来越小,但里面要装的东西却越来越多,不管采用什么样的“收纳”方式,总有一天,这个房间会“过载”。漏电和散热不佳,就是硅芯片“过载”产生的问题。

 

实际上,这两个问题并不是在当前芯片制程工艺走到了7nm这一时期才突然出现的。在硅芯片发展历程中,这样的问题也多次出现,但各大厂商都用各种方式巧妙解决了。运用新的材料,就是其中一种方法,比如用锗硅等元素作为信道的材料。但如何将不同的材料整合到硅基板上,也是一项挑战。即使现在的7nm芯片并没有像过去预测的那样,达到硅芯片的物理极限,但硅的物理极限是必然存在的。芯片的下一个“根本性”的突破,就是找到新的材料。‍

 

二维超导材料,是时下半导体行业讨论的热门话题。二维材料包括石墨烯、磷烯、硼烯等,这些材料更有希望成为主流材料。其中,石墨烯是最突出的一个。之所以看好石墨烯,是因为它除了“二维”这个属性外,还有一个身份——碳纳米材料。早在2012年,IEEE(电气和电子工程师协会)就在《超越摩尔》中写道,未来半导体工业可能从“硅时代”进入“碳时代”。碳纳米材料石墨烯可能在未来代替原来的硅基材料。

 

碳纳米管是由石墨烯片卷成的无缝、中空的管体,导电性能极好,而且管壁很薄。因此,理论上在同样的集成度下,碳纳米管芯片能比硅芯片更小。此外,碳纳米管本身产热很少,加上有良好的导热性,因此能够减少能耗。另外,从开采成本考量,碳的分布广泛,获取成本并不高。更重要的是,石墨烯作为人类最早发现的二维材料,其应用已经在屏幕、电池、可穿戴设备上出现,石墨烯的研究已经到了相对成熟的阶段。因此,石墨烯最为有望成为新的主流芯片材料,取代硅的地位。

 

目前中国自主研发的传统芯片,还在28nm到14nm制造工艺的商业化量产转化过程中,与国际先进水平还有较大的差距。但这都是建立在硅作为芯片主要材料的基础上来说的,如果未来碳纳米材料能够成为主流,那么中国是否有机会在这个节点上实现弯道超车?中国的碳纳米管器件研究与国际前沿水平差距不大。国际上最早实现碳纳米管器件制备的是IBM,2017年IBM通过使用碳纳米管将晶体管尺寸缩小到40nm;同年,北京大学研制了120nm的碳纳米管晶体管,在0.8伏特电压下的跨导,为已发表的碳纳米管器件中的最高值。

 

但任何技术的发展都不会一帆风顺。石墨烯在芯片制造领域的应用面临着三大难题:首先,目前高纯度的石墨烯还比较难获得;其次,石墨烯晶圆的制造也十分困难,虽然现在中国已经率先实现石墨烯单晶晶圆的规模化制备,但在当前的制作工艺下,还是容易出现褶皱、点缺陷和污染的情况;最后,要让纳入器件的石墨烯能够继续保持其优良的性能,其他相关的制作工艺和材料也需要与之配套迭代,才能保证以石墨烯为原料的芯片得以稳定运行。

 

简单总结来说,石墨烯还是一个比较新的材料。要想让石墨烯能够真正替代硅,成为芯片的主流材料,在制造工艺以及配套器件的技术跟进上,还有许多难题需要解开。对中国而言,在技术新旧交替的节点上,无疑存在着弯道超车的机会。但需要正视的问题是:国内对新概念往往过于狂热。石墨烯在芯片等众多领域确实大有潜力,但从发现潜力到产业化,中间需要的是脚踏实地的研究,也需要大众对新技术研发失败的包容。

 

中国芯片的弯道超车,需要的不仅仅是“新”材料,更需要的是“新”的产学研体系以及更加开放包容的投资环境。‍


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