事关半导体！华为再拿新专利，半导体芯片将迎来新变革？

华为新专利引各国热议

据报道，华为宣布成功拿下了石墨烯晶体管专利，该专利还涉及了半导体领域，而这些技术的出现标志着中国在芯片研究领域进入了一个新的阶段。

石墨烯晶体管在石墨烯芯片研发上更是起着至关重要的作用，它能够提高电子的传输速度，同时有效增加芯片元件和器件的输出电阻，从而最大限度地提高射频性能。并且石墨烯芯片其独特的结构可以让雕刻呈现立体样式，这也极大地增加了芯片性能，现在华为宣布这项技术专利申请成功，无疑是国产芯片一个崭新的开始。

石墨烯芯片意义重大

石墨烯芯片的出现很可能将会彻底推动我国在半导体芯片研发中更进一步，而这种技术被我国掌握，也将会成为我国与美国 科技 对决中的一个“重大武器”。要知道目前市面上最常见的传统芯片遵循着一个定律——摩尔定律，早在半导体芯片研发之后，研发芯片的工程师曾经出过预言，日后每隔18-24个月，集成电路上可容纳的元器件的数目增加一倍，性能也将提升一倍。

这一预言对于传统芯片来说好比是一个诅咒，这意味着当集成电路上可容纳的元件数目达到一定数值时，传统芯片便很难有发展的前景。而随后石墨烯晶体的发现给人们提供了一个新的思路，但将想法变为现实的过程十分艰难，美国截至目前为止依旧没有攻破这一技术。

半导体芯片将迎来改革

现如今中国除了已经掌握石墨烯技术外，2020年5月北大团队制造出了纯度高达99.99%的碳纳米管阵列，其运转速度相较国外更快、耗能更低，相比较之下整整减少了三成耗能。据悉，碳纳米管阵列因为其优秀的性能，可以在更多的领域应用，不仅在人工智能、卫星定位等方面可以起到重要作用，同时在医疗设备、国防 科技 方面也有很大的用处。

有专家预测这种载流子迁移率和稳定性更高的碳纳米管阵列很可能将会取代传统的硅晶片，而石墨烯材料的出现更是为中国芯片铺垫了基础，届时中国势必会成为该领域的领头羊。

虽然我国在芯片技术制造工业中与美国还有不可逾越的鸿沟，但是我国芯片研发技术一直名列前茅，此次华为成功掌握石墨烯晶体管制造技术，也进一步证明我国完全有实力反超美国，现在所需要的只是时间。相信随着越来越多技术的突破，中国在芯片制造业也会取得进展，届时我国将会建立属于自己的芯片产业链，美国也无法再利用同样的手段限制中国。

今日华为消费者业务总裁余承东说华为将停止麒麟芯片的生产，听到这个消息我很想哭，发自内心的难受！作为一个忠实的铁粉非常失落！

记得2018年余承东在某发布会上说，华为已经进入石墨烯芯片的研发，而石墨烯制造的芯片电磁延迟时间缩短整整1000倍，这也意味着石墨烯芯片处理信号时间能够缩短1000倍，运算速度也能够提升1000倍，这样的性能又让人热血沸腾！从余总18年说出这一消息，也说明华为对石墨烯芯片的研发时间已经不算短！

石墨烯材料是制造业领域的一种高端材料，甚至被誉为世界最强的一种晶体，这种材料具有优秀的导热导电性能，并且可塑造性强，堪称一种万能超导材料，也正是因为石墨烯在工业发展中存在着巨大潜力，所以中国科学家们长期以来一直在密切关注石墨烯材料技术的发展，并且努力突破这种技术，如今石墨烯在芯片领域已经取得了成功。

如今世界上各主要 科技 强国都在致力于研制超级计算机，而这些计算机的性能实现也离不开各种芯片，毕竟计算机运算能力强弱的关键就在于芯片处理速度，受传统芯片技术影响限制，现有的计算机运算性能想要提升已经变得非常困难，目前各国主流做法就是给计算机增加更多的芯片，然而石墨烯芯片的出现从根本上解决了这一难题，由于石墨烯芯片的速度性能提升了1000倍，所以一块石墨烯芯片就等于1000块传统芯片。

石墨烯因其超薄结构以及优异的物理特性，在 FET 应用上展现出了优异的性能和诱人的应用前景. 如 Obradovic 等研究发现，与碳纳米管相比，石墨烯 FET 拥有更低的工作电压﹔Wang

等所制备的栅宽 10nm 以下的石墨烯带 FET 的开关比达 10的7次方 ﹔Wu 等采用热蒸发 4H-SiC 外延生长的石墨烯制备的 FET，其电子和空穴迁移率分别为 5,400 和4400平方厘米 /V•s，比传统半导体材料如 SiC 和 Si 高很多﹔Lin 等制备出栅长为 350nm 的高性能石墨烯 FET，其载流子迁移率为2700 平方厘米 /V•s，截止频率为 50GHz，并在后续研究中进一步提高到 100GHz﹔Liao 等所制备的石墨烯 FET 的跨导达 3.2mS/μm，并获得了迄今为止最高的截止频率 300GHz，远远超过了相同栅长的 Si-FET (~40GHz)。然而, 由于石墨烯的本征能隙为零，并且在费米能级处其电导率不会像一般半导体一样降为零，而是达到一个最小值，这对于制造晶体管是致命的，为石墨烯始终处于“开”的状态。

另外，带隙为零意味着无法制作逻辑电路，这成为石墨烯应用于晶体管等器件中的主要困难和挑战。因此, 如何实现石墨烯能带的开启与调控，亟待研究和解决。

纳米碳材料，特别是石墨烯具有极其优异的电学、光学、磁学、热学和力学性能，是理想的纳电子和光电子材料。石墨烯具有特殊的几何结构，使得费米面附近的电子态主要为扩展π态。由于没有表面悬挂键，表面和纳米碳结构的缺陷对扩展 π 态的散射几乎不太影响电子在这些材料中的传输，室温下电子和空穴在石墨烯中均具有极高的本征迁移率 (大于 100000平方厘米/V•S )，超出最好的半导体材料 (典型的硅场效应晶体管的电子迁移率为1000 平方厘米/V•S )。作为电子材料，石墨烯可以通过控制其结构得到金属和半导体性管。在小偏压的情况下，电子的能量不足以激发石墨烯中的光学声子，但与石墨烯中的声学声子的相互作用又很弱，其平均自由程可长达数微米，使得载流子在典型的几百纳米长的石墨烯器件中呈现完美的d道输运特征。典型的金属性石墨烯中电子的费米速度为

，室温电阻率为

，性能优于最好的金属导体，例如其电导率超过铜。由于石墨烯结构中的 C–C 键是自然界中最强的化学键之一，不但具有极佳的导电性能，其热导率也远超已知的最好的热导体，达到 6,000W/mK。此外石墨烯结构没有金属中的那种可以导致原子运动的低能缺陷或位错，因而可以承受超过10的9次方A 平方厘米的电流，远远超过集成电路中铜互连线所能承受的10 的6次方A 平方厘米 的上限，是理想的纳米尺度的导电材料。理论分析表明，基于石墨烯结构的电子器件可以有非常好的高频响应，对于d道输运的晶体管其工作频率有望超过 THz，性能优于所有已知的半导体材料。

所以石墨烯是目前作为芯片最理想半导体材料！华为早些年开始了石墨烯芯片的研发，又在前段时间透露华为芯片生产工艺专利和芯片工艺相关人员的招聘，说明华为在石墨烯芯片领域有了新的突破，现在需要解决的可能是生产工艺和生产设备的研发和调试工作了，相信在未来两年华为的麒麟芯片将用到新的材料(石墨烯)，新的芯片构架和新的生产工艺，或许也就是“南泥湾”项目去美化的核心项目之一！

不管是地雷阵还是万丈深渊，我们伟大的华为都会义无反顾的突破所有障碍快速成长成为最伟大的公司！@赵明 @华为中国 @余承东 @华为终端 @荣耀老熊

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数字信息化时代的到来加速了硅基芯片更新换代的速率，为了满足设备对大数据运算的需求，芯片厂商采用传统的“增加硅晶体管数量”的方式来提高芯片性能，延续摩尔定律。但硅基芯片的内置可用规格逐渐逼近天花板，寻找一种能够替代硅元素地位的新型元素，成为未来半导体进步的必要前提。

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。

我是柏柏说 科技 ，资深半导体 科技 爱好者。关注我，带你了解更多最新的半导体资讯，学习更多有用的半导体知识。

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