矽基晶片終將到達效能極限

隨著摩爾定律不斷逼近極限，單位矽基晶片能夠承載的電晶體日漸飽和。矽原子的大小僅有0。12nm，按照此大小來推算，當晶片工藝達到1nm，基本上就放不下更多的晶體管了， 現在的矽基半導體技術很快會碰到極限傳統

當晶片的工藝足夠小的時候，原本在電路中正常流動構成電流的電子就不會老老實實按照路線流動，而是會穿過半導體閘門，最終形成漏電等各種問題。此類問題在在7nm、5nm製程中都發生過，隨著EUV光刻機發明、廠家製造工藝的提升順利解決了該問題。但是，晶片越小對製造工藝要求越高，晶片出現各種問題的機率將會變大，如何達到高質量、穩定地量產還是一個尚待攻破的難題。

晶片縮微化技術挑戰越來越大，但先進晶片工藝的探索卻從未停止。臺積電、三星、英特爾繼續堅持攻克先進製程。據悉，三星曾宣佈2027年量產1。4nm工藝；臺積電預計在2027年左右量產1nm，近日已宣佈計劃在桃園龍潭建設1nm工廠。但是，先進製程所必需的高昂晶片研發、製造費用也給公司帶來了巨大的成本壓力與投資風險，這也進一步迫使企業尋求價效比更高的技術路線來滿足產業界日益增長的晶片效能的需求。

石墨烯優勢凸顯

奈米電子學領域的一個緊迫任務是尋找一種可替代矽的材料。石墨烯的電子遷移率遠高於矽基材料，效能至少是矽基晶片的10倍以上，同時功耗還能大幅降低，石墨烯被認為是最有希望替代矽的材料之一。雖然石墨烯晶片效能更強，但石墨烯晶片的製造難度非常高，尚未實現量產。

目前，多個國家都在研究石墨烯晶片，一旦成功量產，就有望打破現今的矽基晶片壟斷局面。中國半導體發展在石墨烯領域取得了一些實質成果。中國自主研發的8英寸石墨烯晶圓，效能或尺寸均處於國際頂尖水平。華為首次公開的石墨烯場效應電晶體專利，也標誌著中國在晶片研究領域進入了一個全新的開始。截至2021年底，中國石墨烯專利技術申請量約佔全球的80%，相關產品市場規模已達到160億元。

要想達到石墨烯晶片量產，成本投入也是巨大的。矽基晶片已具備一套完整且成熟的產業鏈，想要生產、研發碳基晶片，需要與之相匹配的製造工廠、成熟穩定的技術條件、專業的研發人員等，現階段看來是不易實現的，這也是石墨烯晶片量產難度高的原因。

石墨烯又一大突破

看到了石墨烯晶片的優勢潛在利益，全球都在該領域持續發力。美國佐治亞理工學院研究人員開發了一種新的基於石墨烯的奈米電子學平臺——單片碳原子，已發表在《自然·通訊》雜誌上。該技術可以與傳統的微電子製造相容，有助於製造出更小、更快、更高效和更可持續的計算機晶片，並對量子和高效能計算具有潛在影響。

研究人員稱，石墨烯的力量在於其平坦的二維結構，這種結構由已知最強的化學鍵結合在一起。相較於矽，石墨烯可微型化的程度更深、能以更高的速度執行併產生更少的熱量。原則上，單一的石墨烯晶片比矽晶片可封裝的器件更多。為了建立新的奈米電子學平臺，研究人員在碳化矽晶體基板上建立了一種改良形式的外延石墨烯，用電子級碳化矽晶體生產了獨特的碳化矽晶片。

研究人員使用電子束光刻來雕刻石墨烯奈米結構並將其邊緣焊接到碳化矽晶片上。這個過程可以穩定和密封石墨烯的邊緣，否則它會與氧氣和其他可能干擾電荷沿邊緣運動的氣體發生反應。

最後，為了測量石墨烯平臺的電子特性，研究團隊使用了一種低溫裝置，使他們能夠記錄從接近零攝氏度到室溫下的特性。團隊在石墨烯邊緣態觀察到的電荷類似於光纖中的光子，可在不散射的情況下傳播很遠的距離。他們發現電荷在散射前沿著邊緣移動了數萬奈米。而先前技術中的石墨烯電子在撞到小缺陷並向不同方向散射之前，只能行進約10奈米。

在金屬中，電流由帶負電的電子攜帶。但與研究人員的預期相反，他們的測量表明邊緣電流不是由電子或空穴攜帶的，而是由一種不同尋常的準粒子攜帶的，這種準粒子既沒有電荷也沒有能量，但運動時沒有阻力。儘管是單個物體，但觀察到混合準粒子的成分在石墨烯邊緣的相對側移動。團隊表示，其獨特的性質表明，準粒子可能是物理學家幾十年來一直希望利用的粒子——馬約拉納費米子。

人們擁有第一個基於石墨烯的電子產品可能還需要5~10年的時間，但在無縫互連的石墨烯網路中，使用這種新的準粒子開發電子產品指日可待。而新外延石墨烯平臺的出現，比以往任何時候都更接近於將石墨烯“加冕”為矽的繼任者。可以說，在此基礎上，下一代電子產品不但大有可為，還將改變整個“遊戲規則”。