石墨烯能改变半导体行业吗?

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就像大多数突破性的发现一样，石墨烯和碳纳米管的探索和商业应用需要很长时间才能完成其开发、精炼和实验^1，2．自从2004年曼彻斯特大学首次发现石墨烯以来，石墨烯一直是人们关注的焦点，尤其是在半导体和电子行业。虽然石墨烯比一根头发还薄，但它的强度是钢铁的300倍^3.．自2004年以来，已有超过2.5万项基于石墨烯的专利申请;这个数字预计只会继续增长¹．虽然这可能是事实，但石墨烯在半导体行业的广泛应用也存在一些缺点，其中包括寻求能够大规模生产石墨烯的工业方法、涂层和转移程序，以及保持可与硅材料相媲美的价格。

石墨烯具有比硅高250倍的高迁移率、低损耗、小尺度和柔韧性等优异性能，具有成为下一代半导体材料的巨大潜力¹．没有适当的带隙工程，石墨烯开关无法关闭;因此，在其商业化使用之前，需要解决其带隙限制的难题。阻碍工业充分开发石墨烯潜力的另一个重要问题是它与互补金属氧化物半导体(CMOS)器件的兼容性¹．考虑到最近探索石墨烯全部潜力的研究进展，基于石墨烯的半导体行业的未来仍然充满希望。

硅谷浪潮即将终结吗?

硅是用于多种技术的主要半导体材料，从简单的电子产品到颠覆性和转型技术、高级分析、增强现实、自动驾驶汽车、数字和物联网等¹．在过去的几十年里，在电子产品中使用硅的创新一直与该行业的技术进步保持同步;但是，随着计算机、平板电脑、智能手机等最新一代电子产品的性能需求不断增加，硅基半导体可能无法满足需求。为了获得足够的性能收益，半导体公司在研发上的投入高达150%¹．事实上，自行业向多模式转型以来，制造设备的资本成本增加了约20亿美元app亚博体育¹．因此，硅行业缓慢的性能改进导致了价格压力¹．

自创新的使用几乎达到了硅材料的物理限制(例如,节点长度接近导电通道宽度性能严重抑制),硅行业不太可能可以在前面的增长速度继续增长,保持在过去的几十年里¹．因此，为了制造能够提供卓越的功率和性能的下一代半导体电子产品，硅的替代品是必要的¹．

寻找硅的继承人

虽然半导体行业正在试验硅烯、锗烯和黑磷等不同的材料，但石墨烯等二维(2D)材料被认为是该领域最有潜力的材料亚博网站下载¹．更具体地说，石墨烯的电学特性和优异的柔韧性使其成为一种非凡的下一代半导体材料，可用于电池技术、平板电脑触摸屏、智能手机甚至各种类型的可穿戴设备。

石墨烯在半导体工业中的应用范围

石墨烯取代硅的最终过程预计将分为三个阶段:

1. 提高硅的性能
2. 石墨烯替代硅
3. 革命性的电子产品

为了防止扩散到互连线，14纳米(nm)氮化钽金属障目前正在使用¹．研究人员预计，在未来几年内，现有的保护层外层材料将被石墨烯取代，因为石墨烯的尺寸仅为目前使用的材料(包括钌或钴)的八分之一，有望显著提高互连的可靠性和性能，速度提高30%亚博网站下载¹．

假设在不久的将来会出现克服石墨烯带隙限制的解决方案，理论上，石墨烯可以取代硅，成为要求高速、低损耗、小尺寸和灵活性的电子器件的主要半导体材料。据估计，石墨烯在数据处理、无线通信和消费电子等广泛领域的市场规模约为1900亿美元¹．

参考文献

1. ”石墨烯:半导体的下一个s曲线?——麦肯锡公司
2. ”碳纳米材料可能颠覆价值亚博网站下载数十亿美元的半导体行业，但它们在研发方面陷入了困境——CV Insights
3. ”石墨烯将改变世界:这就是它的用途”——判决

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