石墨烯作為電子產(chǎn)品的基體已經(jīng)引起了許多大公司的注意，例如IBM和三星，這主要是由于其電子遷移率-理論上高達(dá)200000cm2/Vs，而硅只有1400cm2/Vs，銻化銦有77000cm2/Vs，這意味著超高速的電子遷移方式。然而這個(gè)數(shù)字只是理論上的，現(xiàn)實(shí)中我們還有很長(zhǎng)一段距離要走。但是這將可能使電子設(shè)備的速度提高將近1000倍，這是一個(gè)從千兆到太赫茲的跳躍，難怪人們對(duì)此非常期待。

石墨烯的“阿喀琉斯之踵”

　　在“石墨烯路線圖”(由曼徹斯特大學(xué)諾貝爾獎(jiǎng)得主與來(lái)自德州儀器、三星和其他研究所的研究人員共同撰寫的論文)中對(duì)這種樂觀情緒有一個(gè)警告：

　　“由于石墨烯沒有帶隙，因此在下一個(gè)十年內(nèi)石墨烯這種材料應(yīng)用于高性能集成邏輯電路的希望不大。”

　　換句話說(shuō)，其開/關(guān)比不佳。開/關(guān)比是指裝置被接通和斷開時(shí)的導(dǎo)電性之間的差異。如果該比例太低，即便是已經(jīng)關(guān)閉了，晶體管還是會(huì)導(dǎo)通電子。具有大量晶體管的設(shè)備會(huì)因此而損失大量的能量，從而僅僅成為一個(gè)加熱器。這一點(diǎn)限制了石墨烯應(yīng)用于具有邏輯單元的裝置中。

　　然而，由于其在微電子方面成功后的潛在收益是如此之大，帶隙問題并沒有阻止世界大型電子公司研發(fā)石墨烯為基礎(chǔ)的電子設(shè)備，三星和IBM在這個(gè)領(lǐng)域則是非�；钴S。

IBM vs 三星 孰強(qiáng)孰弱?

　　IBM公司聲稱已建立世界上最先進(jìn)的基于石墨烯的芯片，比其他石墨烯片優(yōu)越近10000倍-表明之前的嘗試并不是非常完美。從CMOS制造的角度來(lái)看，石墨烯并不是一種絕佳的材料。它相當(dāng)脆弱，因此當(dāng)你在近一個(gè)原子層厚進(jìn)行沉積和蝕刻其他材料時(shí)，石墨烯很容易損壞。因此，雖然通過沉積石墨烯來(lái)制造晶體管的石墨烯通道是可能的，但是所有的后續(xù)處理步驟有可能會(huì)將其損壞，最終使其沒有優(yōu)勢(shì)。

　　IBM的突破性思想是最后沉積石墨烯。相比于原位沉積，他們傾向于通過化學(xué)氣相沉積法在銅箔上生長(zhǎng)石墨烯，然后將銅箔溶解，留下一層可由晶片“鏟起”的石墨烯。這似乎很難和通常用在半導(dǎo)體工業(yè)中的制造過程相關(guān)聯(lián)，并有報(bào)道說(shuō)這樣制備的石墨烯質(zhì)量差，而且處置銅箔的方式相當(dāng)浪費(fèi)和昂貴。

　　三星采用的不同的方式，即在硅晶片上生長(zhǎng)高質(zhì)量的單晶石墨技術(shù)，被稱為石墨烯研究歷史上最顯著的突破之一。和IBM公司的方法一樣，這種技術(shù)制備的石墨烯片可用于微電子。由于電阻偏高，制造可行的設(shè)備似乎有些遙遠(yuǎn)，但是目前三星似乎更關(guān)心設(shè)備和屏幕的靈活性。

　　除了晶體管，石墨烯對(duì)電子的高傳導(dǎo)性可以被更廣泛地應(yīng)用于其他即集成電路中，例如作為導(dǎo)體，可以使CMOS電路更便宜，更高效。

硅烯是石墨烯的挑戰(zhàn)者嗎?

　　當(dāng)我們致力于解決石墨烯帶隙問題時(shí)，另一個(gè)二維挑戰(zhàn)者-硅烯已經(jīng)出現(xiàn)。最近報(bào)道了第一個(gè)硅烯晶體管，和石墨烯不同，硅烯這種材料具有一個(gè)帶隙，雖然很多CMOS的工程師對(duì)此都很懷疑。

　　硅烯的另一個(gè)潛在優(yōu)勢(shì)就是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)在過去60年對(duì)硅而不是碳已經(jīng)非常了解。至少在理論上，這應(yīng)該意味著所需要的工藝變化不那么激烈。雖然這一切看起來(lái)都很樂觀，但是和石墨烯相比，硅烯的生產(chǎn)和處理過程絕對(duì)是噩夢(mèng)。

　　如果將硅烯置于兩維材料層之間以便保護(hù)它是可行的，但是這將需要開發(fā)新的生產(chǎn)工藝。其他新的二維材料，例如鍺也面臨相同的問題。

二維材料兩馬相爭(zhēng)或者是一枝獨(dú)秀?

　　石墨烯及其挑戰(zhàn)者在微電子方面的應(yīng)用問題，使得在短期內(nèi)看到這些反應(yīng)更加快速的設(shè)備是不可能的。國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)藍(lán)圖(ITRS)認(rèn)為在2020年以前不會(huì)看到不能用硅解決的方案，因此石墨烯微電子器件的發(fā)展將是一個(gè)長(zhǎng)期的過程。根據(jù)正在進(jìn)行的研究的數(shù)量，我將賭注下在二維材料的組合上。

　　但上述所有的先決條件是，我們繼續(xù)以同樣的方式制造集成電路。該半導(dǎo)體路線圖是由早期晶體管的性能決定的，這意味著該行業(yè)不得不圍繞工程材料的局限性進(jìn)行。最可能的結(jié)果是，由于微電子產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)造力，石墨烯將不得不與硅共同相處。

　　但也有各種其它正在開發(fā)的納米技術(shù)，范圍從自旋電子到有機(jī)晶體管等方面。因此“超越CMOS”是指的“以目前的CMOS技術(shù)為基礎(chǔ)來(lái)達(dá)到超越CMOS的目的。”

　　歷史告訴我們，科技并不是線性發(fā)展的，而且完全拋棄現(xiàn)有的CMOS將會(huì)是非常愚蠢的。到2025年，我們將有機(jī)會(huì)看到一些影響整個(gè)微電子產(chǎn)業(yè)的變化。