石墨烯半导体问世：超越硅芯片？

曾文仁

生长在碳化硅衬底芯片上的石墨烯器件

近期，天津大学旗下天津纳米颗粒与纳米系统国际研究中心，与美国佐治亚理工学院创造出世界首个由石墨烯制成的功能半导体。

研究团队在科学杂志《自然》发表题为《碳化硅上的超高迁移率半导体外延石墨烯》的论文，指团队已发现一种特别的方法，能在有机薄膜覆盖的碳化硅晶圆上，生产石墨烯物料。

天津纳米颗粒与纳米系统国际研究中心执行主任马雷向媒体解释，产出的石墨烯物料既具备容许电子流动的“带隙”，同时保有石墨烯高电子迁移率的材料特性—未来若能在工业上应用，有望成为更优秀的半导体材料，而成本与现今流行的材料接近。

这是一项具相当专业性的基础材料学研究发现。可是，社会大众和媒体在讨论时，却出现不少近乎断章取义式的转述。甚至在过分夸张的渲染下，石墨烯半导体仿佛成为中国突破半导体产业封锁、并能反过来卡住欧美国家脖子的“黑科技”。

这类评论尽管点出半导体材料的重要性，但论证过程过份简化芯片产业各生产工序的复杂性，配上莫名其妙的偷换概念，形成不少令人费解的推论。是故，有必要对刚刚问世的石墨烯半导体，做些微基础性的科普。

半导体“越导电越好”？

或许我们日常的讨论用词不严谨，把半导体、芯片和积体电路视作三位一体的同义词，可在不同语境相互切换的情况下，这会引起不少混淆。

所谓半导体，是指我们教科书里常见论述的，介乎于导体（金属）与绝缘体（木）之间的化学物质。三者之间的分别在于电阻率不同，亦即電子流动的难易度各异。现今被用作制造芯片的硅物质就是半导体。半导体可以只是一块形状不规则的物质，与我们想象的芯片和积体电路相距甚远。

有评论提及，石墨烯半导体的电子迁移率高（即电阻较低），电子流动高，因此制造出的芯片性能较硅芯片强。可是，若电子流动高就是性能强的芯片，那最佳的芯片材料应是导体而非半导体。当今芯片的原材料是半导体，可见这种“电子流动越高越好”的简化论述并不全面、准确。

日本多摩大学荣誉教授井上伸雄在《图解半导体》书中提及，随着温度上升，金属的导电率会下降，但半导体在200摄氏度以下的状态下，导电率会随温度上升而增加。

让电子更容易通过半导体是好事，但温度是一变量，“越导电性能越好”的说法有谬误。石墨确实是介乎导体与半导体之间的物质，因此对于天津大学团队的研发，更为准确的表述应为，让石墨变得更具备半导体特性。

可是，从半导体材料，变成一般理解的芯片尚有一大段制程，此时就以电子迁移率高等于性能较佳的推论，未免略显武断。

基础学术发明只是第一步

“半导体的历史，就是学习半导体的捷径。”《图解半导体》作者如是说。考察今日硅晶体的普及过程，有助我们进一步了解芯片材料对产业发展的作用。芯片的作用是让人类能够使用电力—而控制电流亦即电子的流动，是一项主要功能。芯片制造原材料的特性，与提升芯片的效能有所关联。

《芯片战争》作者克里斯·米勒指出，二次大战后期控制电力的，首先是体积庞大无比的真空管，后来是以锗制成的电晶体，再者才是今日普遍的硅晶体。从真空管至电晶体，学术理论研究和电晶体的发明只是第一步，真正的挑战在于能够量产销售，压低生产成本，并实现商业化。

70多年前的科学家，很早就了解到，硅比锗更适合用作芯片制造材料。举例来说，锗制电晶体在超过70摄氏度时，便无法正常运作；硅制电晶体在125度高温下仍能正常运作，也可以使用较高的电压。

石墨原料

“电子流动越高越好”的简化论述并不全面、准确。

可是，1950年代的技术难以获得高纯度的硅单晶，故需要退而求其次，使用熔点较低、较容易制成高纯度单晶的锗。随着技术进步，硅单晶的取得变得更容易，才逐渐使硅晶抬头，取代锗成为芯片的主要原材料。

锗制芯片一度流行的事实，说明单纯依赖半导体材料的特性，不足以使之成为主流。取得材料的难易度和成本，可以左右芯片产业发展的方向。

硅和锗的陈年往事，能为今日“石墨烯能否取代硅”的讨论为借鉴。天津大学研究团队在基础研究取得突破后，所谓“石墨烯半导体尚需10～15年落地”的说法，可以理解为仍需处理众多量产和商业化的难题。

我们需要面对诸如大规模采集、加工、储存等难题，以及与之相关的成本考虑，不能单凭材料特性就断定，石墨烯适合大规模制造芯片。

石墨（上层）和硅（下层）两种半导体材料的分子结构模型

真正的挑战在于能够量产销售，压低生产成本，并实现商业化。

或许从一个更“扯”的反例，我们更能理解半导体材料与生产技术、成本的关系殊不简单。《图解半导体》书中，有一章提及钻石可耐高温、高电压、散热容易等材料特点，可算是“究极的”半导体，与石墨更是同属碳基物质。

可是，我们都知道钻石采集成本高昂，而且用于制造戒指、项链等首饰的经济价值，远远高于半导体—若今天有人打算用钻石制造半导体，说是芯片的未来，大半会被视作脑子进水且不解温柔的科学怪人吧？

电子迁移率高＝运算速度更快？

关于石墨烯芯片的讨论，不少媒体报道指，电子迁移率高代表运算速度更快。从半导体材料具备更高的导电性或电阻较低的特性，就断定制成芯片的运算速度较快或性能较佳，跳过了太多的步骤，亦未免过分夸大了这种可能性。

一些报道更采用“误导性遗漏”的手法，刻意不提及电子迁移率高，是代表电子流动速度很快；而电子流动的性能佳，并不意味着运算速度和性能突出—这使得读者有可能会自行“脑补”心中所想的结论。

一块芯片的运算速度受众多技术细节影响。自電路设计、微影制程或光刻，至晶圆切割、封装，芯片制造涵盖数百项制程，涉及甚为复杂的生产工具，每一步的技术都在影响最终制成品的运算。

石墨烯芯片若要成为商业化的芯片材料，在每一段制程都需要作详细的可行性研究，经多次测试、调整参数后，方能进入量产阶段。

石墨烯芯片到底更适合于7纳米以下的先进制程，还是更适合14纳米以上的成熟制程，电路能否沿用硅晶体的设计，或是微影制程能不能绕过极紫外光（EUV）技术，这些都是未知之数。

科学需要大胆假设，小心求证，但过分跳跃式的推论，恐怕更接近天马行空式的幻想。

制作石墨烯晶片的特殊熔炉

石墨烯芯片能突破技术封锁？

有评论指出，中国石墨存量丰富，若石墨烯芯片成为产业主流，中国可利用管制出口石墨等方法，反制美国的制裁。

这种手法如同中国今天管制稀土出口的处理方法。据美国地质调查局数据，中国的石墨产量确实为世界第一，2022年的出口量全球占65%。可是，截至2022年底，全球已探明天然石墨资源储量约为3.3亿吨，中国的储量位列世界第三，亦只占15.8%。这代表世界各国很容易能找到替代进口来源，管制出口这一招数作用大减。

退一步而言，从石墨变成石墨烯，再变成芯片的制程，涉及不少技术和成本考量。单凭石墨产量，就认为中国可在这未来可能的产业中，具备能卡别国脖子的宰制地位，论证也未免过分粗疏。

若说在遥远的未来，有望制成运算较快的石墨烯芯片，我们尚能寄托于时代进步的可能性。可是，把石墨烯芯片看作短期打破美国技术封锁的评论，也未免低估现行芯片制造行业生态的复杂性，以及中国产业面对的挑战。

翻查媒体报道，2021年也曾传出中芯国际开始进军石墨烯芯片市场，未来有望弯道超车反压欧美国家一头类似的消息。中芯国际后来表示，目前业务未涉及石墨烯晶圆领域，形同否认与石墨烯晶圆相关的传闻。

踏入2024年，石墨烯芯片变成能够突破荷兰阿斯麦EUV光刻机技术瓶颈的利器。这传闻真确与否，从国内对EUV技术讨论的往绩而言，恐怕需要打上一个大问号。

芯片制造制程繁复，产业高度分工，几乎每一项工序都有各种来自世界各地的材料、机器。即便我们非常乐观地认为，石墨烯芯片不一定需要EUV技术，例如使用较普及的深紫外光（DUV）技术，但生产良率、成本、交付时间都是问题。

除美国外，日本、欧洲各国也掌握不少技术优势，为中国产业带来风险。日本是芯片原材料和处理技术大国，在各制程林林总总的封膜、药水等细节，都可能存在技术瓶颈，也可能让中国芯片业被卡脖子。

欧洲国家也可能在汽车、特殊工业用芯片制造等领域占优势，也难保不会再发现一个如EUV般的工具难题。料敌从宽，判己从严，才是我们面对不利国际情势的应有心态。

我们不嫌其烦强调石墨烯芯片面对的困难，目的是希望读者认清国际形势比人强，国产芯片企业普遍受制于人的事实，从而避免盲目乐观的浮夸风气弥漫社会，阻碍科技发展的理性讨论。

把单一技术突破说得神乎其技，容易让人忽略产业的复杂性以及风险所在，陷入自我催眠的困境，变成心灵鸡汤或网络“爽文”。

谈论半导体技术发展时，我们应切忌“一本正经地胡说八道”，浪费国人的时间精力和媒体的公共资源。

责任编辑吴阳煜 wyy@nfcmag.com