石墨烯半導體問世：超越硅芯片？

曾文仁

生長在碳化硅襯底芯片上的石墨烯器件

近期，天津大學旗下天津納米顆粒與納米系統國際研究中心，與美國佐治亞理工學院創造出世界首個由石墨烯制成的功能半導體。

研究團隊在科學雜志《自然》發表題為《碳化硅上的超高遷移率半導體外延石墨烯》的論文，指團隊已發現一種特別的方法，能在有機薄膜覆蓋的碳化硅晶圓上，生產石墨烯物料。

天津納米顆粒與納米系統國際研究中心執行主任馬雷向媒體解釋，產出的石墨烯物料既具備容許電子流動的“帶隙”，同時保有石墨烯高電子遷移率的材料特性—未來若能在工業上應用，有望成為更優秀的半導體材料，而成本與現今流行的材料接近。

這是一項具相當專業性的基礎材料學研究發現。可是，社會大眾和媒體在討論時，卻出現不少近乎斷章取義式的轉述。甚至在過分夸張的渲染下，石墨烯半導體仿佛成為中國突破半導體產業封鎖、并能反過來卡住歐美國家脖子的“黑科技”。

這類評論盡管點出半導體材料的重要性，但論證過程過份簡化芯片產業各生產工序的復雜性，配上莫名其妙的偷換概念，形成不少令人費解的推論。是故，有必要對剛剛問世的石墨烯半導體，做些微基礎性的科普。

半導體“越導電越好”？

或許我們日常的討論用詞不嚴謹，把半導體、芯片和積體電路視作三位一體的同義詞，可在不同語境相互切換的情況下，這會引起不少混淆。

所謂半導體，是指我們教科書里常見論述的，介乎于導體（金屬）與絕緣體（木）之間的化學物質。三者之間的分別在于電阻率不同，亦即電子流動的難易度各異。現今被用作制造芯片的硅物質就是半導體。半導體可以只是一塊形狀不規則的物質，與我們想象的芯片和積體電路相距甚遠。

有評論提及，石墨烯半導體的電子遷移率高（即電阻較低），電子流動高，因此制造出的芯片性能較硅芯片強。可是，若電子流動高就是性能強的芯片，那最佳的芯片材料應是導體而非半導體。當今芯片的原材料是半導體，可見這種“電子流動越高越好”的簡化論述并不全面、準確。

日本多摩大學榮譽教授井上伸雄在《圖解半導體》書中提及，隨著溫度上升，金屬的導電率會下降，但半導體在200攝氏度以下的狀態下，導電率會隨溫度上升而增加。

讓電子更容易通過半導體是好事，但溫度是一變量，“越導電性能越好”的說法有謬誤。石墨確實是介乎導體與半導體之間的物質，因此對于天津大學團隊的研發，更為準確的表述應為，讓石墨變得更具備半導體特性。

可是，從半導體材料，變成一般理解的芯片尚有一大段制程，此時就以電子遷移率高等于性能較佳的推論，未免略顯武斷。

基礎學術發明只是第一步

“半導體的歷史，就是學習半導體的捷徑。”《圖解半導體》作者如是說。考察今日硅晶體的普及過程，有助我們進一步了解芯片材料對產業發展的作用。芯片的作用是讓人類能夠使用電力—而控制電流亦即電子的流動，是一項主要功能。芯片制造原材料的特性，與提升芯片的效能有所關聯。

《芯片戰爭》作者克里斯·米勒指出，二次大戰后期控制電力的，首先是體積龐大無比的真空管，后來是以鍺制成的電晶體，再者才是今日普遍的硅晶體。從真空管至電晶體，學術理論研究和電晶體的發明只是第一步，真正的挑戰在于能夠量產銷售，壓低生產成本，并實現商業化。

70多年前的科學家，很早就了解到，硅比鍺更適合用作芯片制造材料。舉例來說，鍺制電晶體在超過70攝氏度時，便無法正常運作；硅制電晶體在125度高溫下仍能正常運作，也可以使用較高的電壓。

石墨原料

“電子流動越高越好”的簡化論述并不全面、準確。

可是，1950年代的技術難以獲得高純度的硅單晶，故需要退而求其次，使用熔點較低、較容易制成高純度單晶的鍺。隨著技術進步，硅單晶的取得變得更容易，才逐漸使硅晶抬頭，取代鍺成為芯片的主要原材料。

鍺制芯片一度流行的事實，說明單純依賴半導體材料的特性，不足以使之成為主流。取得材料的難易度和成本，可以左右芯片產業發展的方向。

硅和鍺的陳年往事，能為今日“石墨烯能否取代硅”的討論為借鑒。天津大學研究團隊在基礎研究取得突破后，所謂“石墨烯半導體尚需10～15年落地”的說法，可以理解為仍需處理眾多量產和商業化的難題。

我們需要面對諸如大規模采集、加工、儲存等難題，以及與之相關的成本考慮，不能單憑材料特性就斷定，石墨烯適合大規模制造芯片。

石墨（上層）和硅（下層）兩種半導體材料的分子結構模型

真正的挑戰在于能夠量產銷售，壓低生產成本，并實現商業化。

或許從一個更“扯”的反例，我們更能理解半導體材料與生產技術、成本的關系殊不簡單。《圖解半導體》書中，有一章提及鉆石可耐高溫、高電壓、散熱容易等材料特點，可算是“究極的”半導體，與石墨更是同屬碳基物質。

可是，我們都知道鉆石采集成本高昂，而且用于制造戒指、項鏈等首飾的經濟價值，遠遠高于半導體—若今天有人打算用鉆石制造半導體，說是芯片的未來，大半會被視作腦子進水且不解溫柔的科學怪人吧？

電子遷移率高＝運算速度更快？

關于石墨烯芯片的討論，不少媒體報道指，電子遷移率高代表運算速度更快。從半導體材料具備更高的導電性或電阻較低的特性，就斷定制成芯片的運算速度較快或性能較佳，跳過了太多的步驟，亦未免過分夸大了這種可能性。

一些報道更采用“誤導性遺漏”的手法，刻意不提及電子遷移率高，是代表電子流動速度很快；而電子流動的性能佳，并不意味著運算速度和性能突出—這使得讀者有可能會自行“腦補”心中所想的結論。

一塊芯片的運算速度受眾多技術細節影響。自電路設計、微影制程或光刻，至晶圓切割、封裝，芯片制造涵蓋數百項制程，涉及甚為復雜的生產工具，每一步的技術都在影響最終制成品的運算。

石墨烯芯片若要成為商業化的芯片材料，在每一段制程都需要作詳細的可行性研究，經多次測試、調整參數后，方能進入量產階段。

石墨烯芯片到底更適合于7納米以下的先進制程，還是更適合14納米以上的成熟制程，電路能否沿用硅晶體的設計，或是微影制程能不能繞過極紫外光（EUV）技術，這些都是未知之數。

科學需要大膽假設，小心求證，但過分跳躍式的推論，恐怕更接近天馬行空式的幻想。

制作石墨烯晶片的特殊熔爐

石墨烯芯片能突破技術封鎖？

有評論指出，中國石墨存量豐富，若石墨烯芯片成為產業主流，中國可利用管制出口石墨等方法，反制美國的制裁。

這種手法如同中國今天管制稀土出口的處理方法。據美國地質調查局數據，中國的石墨產量確實為世界第一，2022年的出口量全球占65%。可是，截至2022年底，全球已探明天然石墨資源儲量約為3.3億噸，中國的儲量位列世界第三，亦只占15.8%。這代表世界各國很容易能找到替代進口來源，管制出口這一招數作用大減。

退一步而言，從石墨變成石墨烯，再變成芯片的制程，涉及不少技術和成本考量。單憑石墨產量，就認為中國可在這未來可能的產業中，具備能卡別國脖子的宰制地位，論證也未免過分粗疏。

若說在遙遠的未來，有望制成運算較快的石墨烯芯片，我們尚能寄托于時代進步的可能性。可是，把石墨烯芯片看作短期打破美國技術封鎖的評論，也未免低估現行芯片制造行業生態的復雜性，以及中國產業面對的挑戰。

翻查媒體報道，2021年也曾傳出中芯國際開始進軍石墨烯芯片市場，未來有望彎道超車反壓歐美國家一頭類似的消息。中芯國際后來表示，目前業務未涉及石墨烯晶圓領域，形同否認與石墨烯晶圓相關的傳聞。

踏入2024年，石墨烯芯片變成能夠突破荷蘭阿斯麥EUV光刻機技術瓶頸的利器。這傳聞真確與否，從國內對EUV技術討論的往績而言，恐怕需要打上一個大問號。

芯片制造制程繁復，產業高度分工，幾乎每一項工序都有各種來自世界各地的材料、機器。即便我們非常樂觀地認為，石墨烯芯片不一定需要EUV技術，例如使用較普及的深紫外光（DUV）技術，但生產良率、成本、交付時間都是問題。

除美國外，日本、歐洲各國也掌握不少技術優勢，為中國產業帶來風險。日本是芯片原材料和處理技術大國，在各制程林林總總的封膜、藥水等細節，都可能存在技術瓶頸，也可能讓中國芯片業被卡脖子。

歐洲國家也可能在汽車、特殊工業用芯片制造等領域占優勢，也難保不會再發現一個如EUV般的工具難題。料敵從寬，判己從嚴，才是我們面對不利國際情勢的應有心態。

我們不嫌其煩強調石墨烯芯片面對的困難，目的是希望讀者認清國際形勢比人強，國產芯片企業普遍受制于人的事實，從而避免盲目樂觀的浮夸風氣彌漫社會，阻礙科技發展的理性討論。

把單一技術突破說得神乎其技，容易讓人忽略產業的復雜性以及風險所在，陷入自我催眠的困境，變成心靈雞湯或網絡“爽文”。

談論半導體技術發展時，我們應切忌“一本正經地胡說八道”，浪費國人的時間精力和媒體的公共資源。

責任編輯吳陽煜 wyy@nfcmag.com