戍天九思原创第679期
据《科技日报》和路透社报道，近日，中国和美国科研人员联合研制出世界上第一个由 石墨烯材料制成的功能性半导体。 研究人员表示，这预示着一个电子新时代的到来，它为研制更小、更快、更高效的电子设备铺平了道路。相关论文刚刚发表在权威期刊《自然》杂志上。
中美联手找到制作石墨烯半导体的新方法
目前，第一代硅基半导体已接近其物理功能的极限，全球都在寻找新一代半导体材料。
由中国天津大学和美国佐治亚理工学院科研人员组成的研究团队，找到了一种制作石墨烯半导体的新方法。
普通的石墨烯是导体，无法作为半导体使用。如果把碳化硅中的带隙（也叫禁带宽度）成功引入到石墨烯结构中，让石墨烯由导体变成半导体，才能作芯片用。于是，中美科学家联手，使用特殊熔炉在碳化硅晶圆上生长石墨烯取得突破，生产出外延石墨烯，这是在碳化硅晶面上生长的单层材料。
研究发现，如果制造方法得当， 外延石墨烯会与碳化硅发生化学键结合，就会表现出半导体特性。
理想的石墨烯半导体的室温电子迁移率 是硅的10倍 。这意味着更快的切换速度，可能使得GPU、CPU等设备更高效地完成运算任务。此外，与传统材料相比， 石墨烯半导体强大的化学、机械和热性能可以增强电子产品的耐用性和可靠性。
研究团队表示，该研究对未来石墨烯电子学真正走向实用化具有重大意义。不过，距离石墨烯半导体完全落地， 估计还要10到15年。
石墨烯取代硅成为新一代半导体须过三道坎
目前，石墨烯要取代硅成为新一代半导体，仍面临诸多难题。
一是材料优化坎。 理想的石墨烯半导体，需要对碳化硅和石墨烯扬长避短，有两种材料的综合优势：既要有碳化硅半导体一样优良的带隙，又有石墨烯导体一样优良的电子迁移率。目前，中美联手只是找到了制作石墨烯半导体新材料的方法，实验结果还远未达到理想的状态。
该方法制备的石墨烯半导体，目前只有 0.6 eV带隙和5500cm²/V·s的电子迁移率， 与碳化硅3.2eV的带隙和石墨烯15000cm²/V·s的电子迁移率相比差距很大，需要继续探索改进。但是，现在方法找到了，方向明确了，需要的就是时间。
二是大规模量产坎。 目前，制备高纯度、大面积的石墨烯材料仍是一大挑战。常用的制备方法包括化学气相沉积、剥离法和一些合成方法，成本都较高，而且难以控制石墨烯的厚度和结构。
三是加工应用坎。 石墨烯不同于硅，它的机械强度和化学稳定性都很高，这就增加了加工和应用方面的难度。
全球半导体发展呈现出多代并存的局面
根据材料带隙大小，不仅可了解材料性质，而且还可判断半导体的好坏。 导体的带隙为0，绝缘体的带隙大于4.5eV，半导体的带隙为0—4.5eV， 而且半导体分代也是根据带隙大小划分的。
目前，全球半导体市场呈现出一代、二代、三代多代并存的局面。根据Yole统计，硅仍是半导体材料的主流，占比95%。第三代半导体渗透率逐年上升，碳化硅渗透率在2023年有望达到3.75%， 氮化镓渗透率在2023年达到1.0%。 相较前两代半导体，第三代、*四代第**半导体物理性能相对更出色，有望在各个领域实现对前两代的全面替代。
第一代：以硅和锗半导体为代表。 目前，95%的芯片使用硅基半导体制作。大家谈论的光刻机、光刻胶、EDA软件等都属第一代半导体工艺。
第二代：以砷化镓半导体为代表。 砷化镓材料的电子迁移率约是硅的 6 倍，具有直接带隙，故其器件相对硅基器件具有高频、高速的光电性能，被广泛应用于光电子和微电子领域。该领域应用较窄，目前中国台湾几家公司如稳懋半导体公司是龙头。
第三代：以碳化硅、氮化镓半导体为代表。 第三代半导体材料带隙大，具有击穿电场高、热导率高、电子饱和速率高、抗辐射能力强等优势，可进一步满足现代工业对于 高功率、高电压、高频率的要求 ，在航空航天、新能源汽车、光伏发电、5G 通讯、国防工业等领域有广阔应用前景。中国与世界巨头们处在同一起跑线上。在氮化镓领域，民用由英诺赛科巨头垄断。中国有镓和锗等产业链优势，*用军**处于领先地位。如果没有氮化镓芯片，就不可能有高超音速导弹和空警—500预警机等先进装备。
▲ 氮化镓晶圆
*四代第**：以金刚石、氧化镓、氮化铝半导体为代表。 具有超宽带隙。金刚石半导体刚刚有所突破。这种超宽带隙半导体将是未来半导体。
中国具有发展金刚石芯片得天独特的优势
金刚石材料属*四代第**半导体，它的带隙为5.5eV，电子迁移率高达4500 cm2/V·s，有成为高档半导体材料的潜质。
但是，纯净的金刚石属绝缘体，无法作为半导体材料， 通过向金刚石结构中掺入氮、硼等元素，可转化为半导体， 才能用作芯片。
▲ 在金刚石薄膜上制造的半导体器件
日本佐贺大学的研究表明，与现在主流的硅基半导体相比， 金刚石半导体可在5倍的高温和33倍的高电压下工作， 可在福岛核电站核废料处理等极端恶劣环境下工作，而普通硅基芯片机器人即使外加保护层，也会短时间报废。
2023年，中国和美国在研发金刚石半导体材料上几乎同时取得重大突破。
★2023年10月27日，华为和哈工大联合申请公布了“一种基于硅和金刚石的三维集成芯片的混合键合方法”专利。也就是说， 华为掌握了通过掺杂让金刚石从绝缘体变成半导体的专利技术。
★2023年10月，美国一家叫钻石工厂（Diamond Foundry）的公司成功制造出了世界上第一块单晶钻石晶圆，直径100毫米、重110克拉。
中国发展金刚石芯片更大的优势在于大规模量产产业链。目前， 中国人造钻石产量占全球总产量的90%， 其中珠宝级的人造钻石占全球总产量的50%。在中国的产能当中，又有80%位于河南。光是河南商丘，一年的人造钻石产量就高达400万克拉，接近全球总产量的一半。大家惊呼，实现“钻石自由”，就靠我大河南了。
目前， 碳化硅价格是硅30~40倍，氮化镓价格是硅的650~1300倍，而能造芯片的金刚石材料价格几乎是硅的10000倍。 由于金刚石价格很贵，制造出来的芯片也用不起。
值得骄傲的是中国制造高纯度、大颗粒技术又有重大突破。中国矿业大学超硬刀具研究所所长邓福铭团队，2023年探索出了一条高温高压制造金刚石的新方法，用铁钴合金催化剂，在5.5万个大气压和1320度的高温下，顺利地合成了直径达到 8毫米的大钻石 ， 重量高达3到4克拉， 而且没有任何的杂色。这种方法可以大规模、低成本量产，还直接导致2023年宝石级钻石价格迎来史上最大跌幅， 全年普遍下跌30-40%， 这也为下一步制造金刚石芯片创造了降低成本的条件。当然，目前金刚石的成本还需进一步降低。
中国有制造金刚石芯片的专利技术，又有低成本大规模量产金刚石的技术和产业链优势，中国发展金刚石芯片潜力巨大。