国家为何如此重视石墨烯？为普及5G铺路（二）

（原标题：国家为何如此重视石墨烯？）

石墨烯是替代硅的理想材料

相对于通过前端设计提升微结构来提高芯片性能，通过后端设计来提升主频显然更加简单粗暴，而且随着Intel在IPC上已经遭遇紧瓶，相信全球其他IC设计公司在各自的微结构达到Haswell水平后，IPC很有可能也会相继撞墙。因此，提升主频已经是成为了提升CPU性能的不二之选。

硅基材料集成电路主频越高，热量也随之提高，并最终撞上功耗墙。目前硅基芯片最高的频率是在液氮环境下实现的8.4G，日常使用的桌面芯片主频基本在3G到4G，笔记本电脑为了控制CPU功耗，主频普遍控制在2G到3G之间。

但如果使用石墨烯材料，那么结果就可能不同了。因为相对于现在普遍使用的硅基材料，石墨烯的载流子迁移率在室温下可达硅的10倍以上，在实验室环境下最高可达100倍，饱和速度是硅的５倍，电子运动速度达到了光速的1/300。同时具有非常好的导热性能，芯片的主频理论上可以达到300G，并且有比硅基芯片更低的功耗——早在几年前，IBM在实验室中的石墨烯场效应晶体管主频达155G。

IBM的石墨烯圆晶/芯片

因此，采用石墨烯材料的芯片具有极高的工作频率和极小的尺寸，而且石墨烯芯片制造可与硅工艺兼容，是硅的理想替代材料——在前端设计水平相当的情况下，使用石墨烯制造的芯片要比使用硅基材料的芯片性能强几十倍，随着技术发展，进一步挖掘潜力，性能可能会是传统硅基芯片的上百倍！同时还拥有更低的功耗。

石墨烯材料制备

石墨烯材料可分为两类：一类是由单层或多层石墨烯构成的薄膜；另一类是由多层石墨烯（10层以下）构成的微片。

目前石墨烯制造方法多达几十种——物理方法主要有机械剥离法、取向附生法和加热SIC外延生长法；化学方法主要有电弧放电法、化学剥离法、氧化还原法和化学气相沉积（CVD）法。各种制备方法获得的石墨烯材料应用领域有所不同，比如采用电弧放电发制取的石墨烯更适合作为超级电容器的电极材料，而可用于制造集成电路的石墨烯材料的制备方法是加热SIC外延生长法和CVD法。

加热SIC法

加热SIC法是在SIC晶圆的Si面或C面上，通过加热使Si原子蒸发掉而在SIC上形成石墨烯层。该方法制作的石墨烯材料层数可控，面积较大，具有较高的载流子迁移率，能够研制出高性能的射频芯片。但目前受SIC晶圆尺寸的限制，这种技术最多只能生长出４英寸晶圆级石墨烯，尺寸虽无法与现代芯片所需的12英寸Si材料相比，但是晶圆质量与Si晶圆相当甚至更好。2015年，北京大学采用氢辅助法在４Ｈ－SIC表面外延生长出高质量石墨烯，其中氢充当了碳刻蚀剂的作用，产生的石墨烯层面积更大，厚度更均匀。

化学气相沉积（CVD）法

CVD法是以铜和镍等金属材料作为衬底来生长具有原子级厚度的石墨烯材料。

这种方法获得的石墨烯材料的面积大、导电性高、透光性好和成本低，而且CVD法制作石墨烯器件的工艺与硅工艺非常兼容，是纳米半导体器件的主要发展方向。2013年，中国航空工业集团公司北京航空材料研究院宣布已在铜箔表面制备出１２英寸以上的石墨烯薄膜，大尺寸、高质量的石墨烯薄膜制备技术也已突破。