我是柏柏说 科技 ，资深半导体 科技 爱好者。本期为大家带来的资讯是：IMEC举办的IEEE会议。延续摩尔定律，2纳米以下芯片的关键原料，决定未来半导体发展方向的国产石墨烯技术。
老规矩，开门见山。针对硅基芯片内置规格有限，IMEC在2021年召开的“IEEE国际芯片导线技术会议”提出了几种可用来延续未来摩尔定律的异质整合方法。值得一提的是：IEEE会议提出的异质整合方法大多都是建立在石墨烯材料基础上的。
口说无凭，IMEC在IEEE会中提出的异质整合方法有哪些呢？芯片制造后端制程采用通孔混合异端金属布线、半镶嵌制程、零通孔结构解决因硅基晶体管数量增多产生的布线拥塞，讯号迟缓问题。由于石墨烯材料具备优良的导电性、导热性以及电子活泼性等良好特性；成为IEEE的首选研究对象。
其它质量因素采用钴、钌、钨、铝镍合金、钌钒合金等有序二元介金属化合物代替传统的硅晶圆，用来解决导线层布线冗杂等布局问题。补充一点，这里说的质量因素指代块材电阻与金属内部载子平均自由路径。需要注意的是，上述提到的这些都是建立在“将石墨烯材料作为金属材料的氧化阻障层、超薄扩散阻障层”的理论模型上的。
也就是说，IMEC在IEEE会中提出的异质整合方法，其包含的能够解决2纳米以下制程芯片导线冗杂方法，诸如在铜等金属中混杂石墨烯或是在掺杂金属元素的方案，其作用对象都是石墨烯材料。之所以朝石墨烯中加入金属元素，是为了提高石墨烯的载流子浓度。需要注意的是，石墨烯材料是导电的，但是石墨烯的导电率是由电子迁移率决定的。
研究中，IEEE将包含化学气相沉积的多层石墨烯薄膜，成功转移到5纳米的钌金属薄膜上，将钌与石墨烯制程组件结构，发现石墨烯可以完全的依附在钌金属薄膜上。这也证明了石墨烯材料可以通过掺杂金属物的方式，来将其用于高精尖芯片的制造中。包括后续对钌、石墨烯制成物进行封装等试验过程，全都在一定程度上证实了石墨烯将可能成为未来延续摩尔定律的最佳材料。
与我们在锗基、硅基等第一代半导体材料中被国外核心技术“卡脖子”的处境不同；我国在第二代、第三代半导体材料中的技术位居世界一流。而属于第三代半导体材料的石墨烯，是我国未来发展半导体行业的“一张王牌”。中科院早在2020年10月16日，便已经实现了8英寸石墨烯晶圆的量产。
毫不夸张地说，石墨烯有望成为用于延续未来摩尔定律的新型材料，我国的石墨烯技术将成为未来全球半导体原材料的重要组成部分。这次IEEE通过将钌、钴等元素混杂到石墨烯晶圆中的试验，也为后续半导体产业链朝石墨烯方向变更提供了一定的基础理论。
拿目前我国实现产业链自主化的28纳米制程举例；石墨烯材料优于硅基材料的内置架空性与导电性、散热性，决定了石墨烯芯片优于硅基芯片。同为28纳米制程的石墨烯芯片，其性能是硅基芯片的5~10倍。也就是说，28纳米制程的石墨烯芯片，其性能表现媲美采用5纳米到3纳米制程的硅基芯片。
简单来说，如果日后石墨烯晶圆能够实现大批量生产，与之相匹配的产业链逐步完善。我们完全可以避开国外的EUV光刻机，来生产出质量更优、性能更高、成本更低的芯片。毕竟我国是第一个实现8英寸晶圆量产的国家。
当然，以目前的现状来看，硅基半导体芯片依旧是主流。28纳米制程的半导体芯片占半导体芯片市场的60%。但不同于硅晶体提炼方法，高质量的石墨烯材料其适宜的成长温度在900 到1000 之间。此外，通过加入金属元素来提高电阻的做法虽说可以有效控制石墨烯材料的电子活性，但对比硅基材料，石墨烯材料的时间、经济成本都比较高。
虽说不如云南大学的硫化铂成本高，但对于一家企业来说，设备链更替所需要的成本已经够高了。更何况用于芯片制造的原料，其量产规模很大。额外的成本往往也是很多企业难以承受的。例如中芯国际曾在客户互动平台上表示（上图），考虑到时间、资金成本，公司暂无石墨烯晶圆业务。
我们应该在继续发展硅基半导体的基础上，着手未来石墨烯晶圆设备链的攻坚，着眼未来的同时也要把握当下。祝愿国产半导体厂商愈发强大，在半导体领域中早日掌握核心技术。
对于“国产半导体行业日趋成熟的石墨烯技术”，大伙有什么想说的呢？你认为石墨烯技术能否助力我国在半导体领域中实现高精尖制程芯片自给自足的目标呢？欢迎在下方留言、评论。
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石墨烯的应用---石墨烯电池在电池生产中石墨烯可直接作为正负极材料，或是作为导电添加剂添加到正负极材料中，还有是作为涂层提高电池功率特性。充电和续驶里程问题一直困扰着新能源汽车，这是因为铅酸电池和传统锂电池的发展遭遇“瓶颈”，而石墨烯电池有望在此取得突破。在不久前举行的上海车展上，有车企推出了一款石墨烯钛酸锂电池，可以实现10～15分钟快速充电，可持续充放电超过4万次，油电综合续驶里程可达1000千米以上。
2. 石墨烯的应用---石墨烯集成电路
由于具备超高电子传输能力和良好的导热能力，石墨烯被认为会取代现在广泛使用的硅而成为下一代集成电路的根基。2010年，美国一个研究团队制成了首块基于石墨烯的晶体管，并将其整合进一块完整的集成电路中。2016年，中国科学家研制出首只低噪声放大单片集成电路。
3. 石墨烯的应用---石墨烯触摸屏
智能手机最关键的部件是有一块既能导电又非常透明的触摸屏，而石墨烯的良好的柔韧性、导电性和光学透明性完全能满足这一需求，比目前的透明电极材料氧化铟锡（ITO）更完美。韩国研究人员已制造出由多层石墨烯和聚酯片基底组成的透明可弯曲的显示屏，用这种方法还可制造基于石墨烯的太阳能电池、触摸传感器、平板显示器、有机发光二极管等。
4. 石墨烯的应用---石墨烯存储器
英国、韩国的研究人员还在致力开发基于氧化石墨烯的可弯曲、透明的存储系统。基于石墨烯的新型存储材料成本低、功耗小、重量轻、体积小、存储密度高，可以三维堆积。例如，英国开发的这款石墨烯二氧化钛存储只有50 纳米长、8 纳米厚，写入和读取速度仅需5 纳秒。随着基于石墨烯的触屏、内存等电子器件不断开发，未来可弯曲、全透明的智能手机将成为现实。
5. 石墨烯的应用---石墨烯超级材料
美国研究人员把柔软的石墨变成了强劲的“钢筋”，过程是把单层二维结构的石墨烯变成具有三维结构的石墨烯泡沫状材料，再用机械性能较强和高导电性的碳纳米管来强化该材料，从而制成“钢筋石墨烯”。中国研究人员利用细小的管状石墨烯构成一个拥有蜂窝状结构的泡沫材料，它像气球一样轻却像金属一样坚固，未来可以用其制造防d衣、坦克装甲等。
6. 石墨烯的应用---癌症早期诊断
中国科学家首次发现石墨烯有助于癌症早期诊断。在机体出现异常情况时，核酸分子生物标志物cmocroRNA在血清、尿液以及唾液中含量也会随之改变，但一般检测方法难以捕捉到，而借助石墨烯的强吸附性，可使检测的灵敏度大大提高。通过对捕捉到的cmocroRNA进行综合性分析，即可得出机体是否出现癌变，以及是哪种癌症，对于各类癌症的早期诊断、治疗具有重要意义。
7. 石墨烯的应用---石墨烯“人工喉”
人的喉咙仅能发出声音而无法感知声音。如果能有一种材料可以同时感知声音、发出声音，并且具有柔性，用其制成“人工喉”，就能解决像霍金那样的肌肉萎缩患者，甚至聋哑人的说话难题。最近，中国研究人员就利用多孔石墨烯材料研发出这种集成声学器件，它通过热声效应发出声音，通过压阻效应接收声音信号。
8. 石墨烯的应用---石墨烯灯泡
现在传统的白炽灯泡已逐步被白光LED所取代，虽然LED照明功耗低、效果好，但价格高，且制作时需要稀土元素作为原材料。在英国，科学家研制出全新的石墨烯灯泡，拥有比LED灯泡更坚固的结构和更低廉的价格，可让灯泡使用时间延长，进一步减少10%的能源消耗。
9. 石墨烯的应用---海水淡化滤膜
目前的海水淡化方法需要消耗大量能源，成本高，还会对环境产生负面影响。英国研究人员正在研究以相对廉价的石墨烯氧化物滤膜来进行海水淡化。这是一种可让水分子通过而盐离子滤出的选透性薄膜，不需要高温和高压，因而是一种低成本的海水淡化替代方案。
10. 石墨烯的应用---石墨烯除污海绵
科学家利用石墨烯“海绵体”超高的比表面积，对有毒有害物质进行吸附，吸附量可达自重的上百倍，吸附之后经过处理还可循环使用。中国科学家在普通海绵表面均匀地包裹上石墨烯涂层，利用其导电、疏水、亲油特性，吸附海面上泄漏的浮油。
11.石墨烯的应用---防锈
由于石墨烯不会溶于水，因此可以混合聚合物用于防锈涂层。石墨烯不溶于水加上超高导电性，如果与钢结合的话，就可以防止钢接触到水并缓解氧化铁的电化学反应。之前就有一位化学家做了实验，将喷了此涂层的钢浸泡在盐水中，一个月后钢的表面没有任何锈迹出现。设想下，如果喷在汽车上呢，是不是就不怕爱车生锈了！
12.石墨烯的应用---扬声器
这种扬声器的发声原理是石墨烯通过传输电流产生的热能发声。如果将厚度不足一纳米的一层石墨烯放于玻璃以及两种塑料上（两种不同类型），然后施加交流电，就能听到声音了。这种扬声器不是通过隔膜振动，而是通过石墨烯运输电流发声，最大的优势就在于薄以及柔韧性，可以做成任何形状。
13.石墨烯的应用---超级电容
我们都知道电容是可以存储电能的，比如相机的闪光灯就是依靠它提供能量。但是单位质量的电容所存储的电能有限，这个时候就要用电池了。然后石墨烯电容可以存储更多的能量，还可以有更多的充放电次数。完全可以不用电池提供能量了。
14.石墨烯的应用---清理放射性废弃物
这个就是依靠石墨烯的超强吸附能力了。将石墨烯氧化物微粒与放射性物质相结合，然后聚集成团，这样就非常便于后期的收集。以后核废料的清除将变得更安全。
15.石墨烯的应用---柔性电子线路
电脑的运算速度提高50倍。现在的电脑芯片，最重要的材料是硅。而石墨烯比硅具有更好的导电性能，它可以用更少的电力，产生更小的热量，甚至都可以淘汰掉冷却风扇，而且速度还可以提高50倍。最近也有很多有关石墨烯代替硅的资讯，从当中我们不难预测，未来五年内很有可能第一批石墨烯处理器将诞生并投入市场。
16.石墨烯的应用---人工肌肉
把一层石墨烯固定在聚合物上，只要有电流通过，就会产生褶皱和伸展。这个用途也是从一个实验开始想到的。在一个实验石墨烯柔韧性的实验上，科学家们把石墨烯固定在准备拉伸的橡胶薄片上，当拉力消失的时候，石墨烯还是稳稳的贴合在薄片上。从这个实验可以想到，如果是把石墨烯贴合到聚合物上呢？只要给聚合物上有电流通过，就会发生伸缩现象了。这不正是我们人体肌肉的关键部分么！
17.石墨烯的应用---探测爆炸物
对于低浓度爆炸物，可用石墨烯泡沫来探测。这个原理主要是由于石墨烯泡沫能够探测到低浓度的硝酸盐和氨。只要把这个探测器做成电话卡一样的大小就可以了。
18.石墨烯的应用---DNA测序
石墨烯泡沫过滤器主要是控制石墨烯空隙的大小。这种方法的优点和缺点很有意思，因为优点和缺点分别是成本低和成本高：现有技术是该新技术的三到五倍，然后用于石墨烯DNA测序的设备，价格高达十几万美元。
19.石墨烯的应用---夜视
专业的夜视设备，将有望更轻便，方便携带。如果是用石墨烯的底片，并且在此底片上添加硫化铅晶体，结果就是夜视设备将更灵敏，更具有柔韧性。这样的话，就可以制造出更薄更方便携带的夜视镜咯！
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