在半導體銷售額不斷增長的今天，如何能夠更好的減少的隨之而來的在半導體芯片方面的投入是未來不得不面對的問題。目前很多廠商和研究機構都在尋找新的方法。

近日，由麻省理工學院的工程師研制的一種新技術，可以大大減少晶圓技術的投入，與傳統的半導體工藝相比，這種技術能夠使設備更加多元化和更高的性能。

在《自然》雜志上公布的這項新技術使用的是石墨烯材料——單原子層石墨——就如同復制機器一般能夠將底層的材料性能復制到頂層。

什么是石墨烯材料

石墨烯是一種二維晶體，人們常見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。當把石墨片剝成單層之后，這種只有一個碳原子厚度的單層就是石墨烯。

自從石墨烯在2003年被發現以來，研究者發現它具有優異的強度、導熱性和導電性。最后一種性質使得這種材料非常適合用來制作電路中的微小接觸點，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，石墨烯不僅需要充當導體，也要有半導體的功能，這是電子元件需要進行的通斷切換操作的關鍵。半導體由其帶隙所定義的，帶隙指的是激發一個電子，讓它從不能導電的價帶躍遷到可以導電的導帶所需要的能量。帶隙必須足夠大，這樣來使得晶體管開和關之間的狀態才對比明顯，這樣它才能準確無誤地處理信息。

常規的石墨烯是沒有帶隙的——它特殊的波紋狀價帶和導帶實際上是連在一起的，這使得它更像是金屬。盡管如此，科學家們試圖分開這兩個帶。通過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到100meV，但這對電子工程應用來說還是太小了。

相對于通過前端設計提升微結構來提高芯片性能，通過后端設計來提升主頻顯然更加簡單粗暴，研發周期也更短(微結構研發一般要3年)，更適合商業推廣。

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境下實現的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，那么結果就可能不同了。因為相對于現在普遍使用的硅基材料，石墨烯在室溫下擁有10倍的高載流子遷移率，同時具有非常好的導熱性能，芯片的主頻理論上可以達到300G，并且有比硅基芯片更低的功耗——早在幾年前，IBM在實驗室中的石墨烯場效應晶體管主頻達155G。

因此，在前端設計水平相當的情況下，使用石墨烯制造的芯片要比使用硅基材料的芯片性能強幾十倍，隨著技術發展，進一步挖掘潛力，性能可能會是傳統硅基芯片的上百倍!同時還擁有更低的功耗。

石墨烯在半導體領域的應用

作為新興材料，石墨烯能廣泛應用于燃料電池、材料改性、防銹防滑、海水淡化、軍事工業等多個領域，這已經是業界共識。事實上，由于在已知材料中電阻率最小、導熱系數最高，所以石墨烯被認為是最理想的電極和半導體材料，其最佳、最具潛力的應用是成為“硅”的替代品，用來制造超微型晶體管，生產未來的超級計算機。

眾所周知，過去幾十年，硅幾乎是制造芯片的唯一選擇，以硅為材料的各類型芯片在制程工藝上快要達到了物理極限(7納米)，這極大的限制了各類計算芯片處理性能的提升。然而，科技永遠是在進步的，石墨烯的問世或許能有效的解決硅基材料的物理極限問題。那么，石墨烯在電極和半導體領域究竟能做哪些事情呢?

1、光電半導體產品。以其非常好的透光性、導電性和可彎曲性，在觸摸屏、可穿戴設備、OLED等領域中發揮作用。這也是目前公認最可能首先實現商業化的領域。

2、制造傳感器。石墨烯因其獨特的二維結構，且具有體積小、表面積大、靈敏度高、響應時間短等特點，能提升傳感器的各項性能。隨著物聯網和和可穿戴技術的不斷發展，未來對傳感器的需求將會越來越高，相信石墨烯能夠扮演不錯的角色。

3、微電子器件。由于物理極限的限制，石墨烯在未來的晶圓、計算芯片以及各類型的微電子器件中都能擔當大任，并發揮其獨特的性能。