第四百一十章：性能优异的石墨烯晶圆

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谷芁

就像飞机失事后检查现场的零件碎片以及黑匣子日志一样，通过这两样东西，基本能还原飞机失事时的场景。

很快，通过高温冶炼炉记录下来的数据信息吉和红外光谱仪的检查数据，韩元找到这块石墨烯单晶材料了为什么会出现裂纹的原因。

其实原因相当简单，那就是他之前失误了，使用的单晶镍基底材料过大，导致单体面积上的碳粉、石墨粉末这些材料不够量。

最终导致碳原子在加热重构到了一定程度后，形成的石墨烯单晶材料在冷却时因为自身的张力问题出现了晶体裂键的问题。

对于这种情况，解决办法并不算复杂，按照各种材料对应的比例增加份量就可以解决。

只不过根据材料的量需要同步修改高温冶炼炉中甲烷、乙烯等各种气体的含量、压强、制备时间等各种参数。

这对于韩元来说并不难，花费了一些时间，韩元重新调整了各种参数信息，开启了第二次的石墨烯制备。

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找到问题和解决方式后，韩元简单的讲解了一下导致问题出现的原因以及解决方法。

简单的按照各种材料对应的比例增加原料份量就可以解决石墨烯单晶材料的褶皱问题听得各国的专家口瞪目呆，不敢相信。

但很快，这些专家想起了韩元之前说过的话，也反应了过来到底是怎么回事。

其实原因很简单。

他们和对方处理石墨烯单晶材料上的褶皱方式之所以天差地别，其主要原因是引导石墨烯单晶材料生长的基底材料以及晶核不同。

比如在气相沉积法这一块，华国使用的基底材料是液态铜，使用的含氮分子‘吡啶’作为碳氮源。

利用了吡啶分子在铜箔表面的催化脱氢自组装效应来生成石墨烯。

而对方利用的是单晶镍作为基底，利用了碳化硅作为晶核生长，在这个基础上，石墨烯的褶皱问题已经被解决了。

第一次生产出问题，就是纯粹的原料不足问题导致的，并非热效应张力。

想明白到底是怎么回事后，各国专家或摇头或脸伤露出了无奈的苦笑。

亏他们之前还在想着对方是不是也没有掌握石墨烯的制备技术，现在看来，只不过是对方第一次生产制备石墨烯不熟练而已。

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经过调整，第二次制备出来的石墨烯单晶材料比第一次制备出来的要厚一些，不过裂纹已经没有了。

一系列的检查过后，韩元拿着检测数据松了口气。

第二次制备出来的石墨烯单晶材料从各项数据上来看，是符合制备石墨烯晶圆的要求的。

整体结构为单晶、整体无褶皱、整体超洁净、杂质含量低于0.0001%。

这些是基础属性，除此之外，韩元还检测了这块石墨烯单晶材料的界面导热率、导电率等一系列的东西。

通过检测，可以从显示屏上的数据看到，这块石墨烯的载流子迁移率达到了160000 cm2·v 1·s 1。

相比较之下，单晶硅的载流子迁移率一般都在2500-3500 cm2·v 1·s 1之间。

载流子迁移率，是指固体物理学中用于描述金属或半导体内部电子，在电场作用下移动快慢程度的物理量。

这是一个物理属性，并不需要了解它的原理，但要知道这个物理属性对于芯片的影响。

第一，载流子迁移率和载流子浓度一起决定半导体材料的电导率（电阻率的倒数）的大小。

第二，它影响器件的工作频率。

很多人应该都听说过芯片的‘超频’，特别是一些个人电脑爱好者。

超频指的是把一个电子配件的时脉速度提升至高于厂方所定的速度运作，从而提升性能的方法。

通过超频，可以让电脑的性能更加优秀。

比如英特尔系列的酷睿i系列cpu，通过超频手段能做到跨级别性能对比。

同代的i3处理器，在超频下，性能堪比同代i5，甚至超越。

但超频有一个坏处，它就跟人体长时间高负荷的劳动一样，容易累到累进医院。

所以对于芯片的寿命有很大的影响。

而石墨烯单晶材料的优越性，在这一方面体现的淋漓尽致。

正因为石墨烯具有如此高的载流子迁移率，使得其可应用于超高频器件，使得thz成为可能（硅基芯片无论再怎么提升，其高频也只能做到ghz级别）。

如在典型的100 nm通道石墨烯晶体管中，载流子在源漏之间传输只需要0.1 ps。

除此之外，这一份石墨烯单晶材料的热导率为3800 w/（m·k），是目前人工合成可用于电子器件中最高的。

相比之下，单晶硅的热导率只有250w/（m·k），两者之间的差距有多大，一眼就能看出来。

而高热导率，对于大功率器件的界面散热作用显著，毕竟热量能及时传递出去。

这能够提高器件效率、延长器件寿命，有望用于集成电路的热管理。

无论是高载流子迁移率还是高热导率，都可以看出石墨烯单晶材料的优秀性能。

这是硅基芯片无可比拟的。

当然，有性能优异的地方，自然就有性能低下的地方。

石墨烯单晶材料的超高电子载流子迁移率来源于它本身缺乏固有带隙性。

而缺乏固有带隙限制了石墨烯在逻辑电路中的应用。

其实这一点相当容易理解，在石墨烯中运行的电子，就好像在高速公路上运行的汽车一样，一座座的收费站，是电子的开关，它引导每一颗电子前往的位置。

而石墨烯单晶材料，是一条比硅基芯片更加宽广的高速公路，但这条高速公路上没有收费站。

这导致在上面行驶的汽车，也就是电子，可以随意乱跑。

这是碳基芯片中使用石墨烯材料作为晶圆时必须要解决的一个重要难题。

对于这个难题，现实各国的做法是在石墨烯晶圆底下附加一层单晶硅或者碳化硅晶材。

从而做到实现带隙功能。

但这种方式有个较大的缺点，那就是无论使用单晶硅还是碳化硅晶材作为基底，都会影响芯片整体的运行效率。

不是哪一种材料都有石墨烯单晶这么高的载流子迁移率和热导率的。

即便是超高纯度的碳化硅晶材，在这两方面的效率都远低于石墨烯单晶材料。

后面韩元同样也要解决石墨烯单晶材料带隙的问题，他使用的方法，也是这种。

这条路，其实是对的，只不过各国并没有找到的合适的材料而已。

或者说，他们找到了适合的材料，但是做不到将那种材料作为基底附着在石墨烯单晶晶圆上。

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