摘要：石墨烯晶圆在上海的小批量出产，为国产新一代电子器材的研制奠定了根底。
2010年，曼彻斯特大学两位科学家由于对石墨烯的开创性研讨取得诺贝尔物理学奖。便是从那年起，中国科学院上海微体系与信息技能研讨所开端研制这种资料。可谓“十年磨一剑”，现在，谢晓明研讨员团队在高质量石墨烯电子资料制备方面取得多项打破。二零二零年，这个项目荣获上海市天然科学奖一等奖。
为了让这类资料赶快工业化，中科院上海微体系所与上海市石墨烯工业技能功用型渠道协作，已建成一个具有中试扩展功用的立异实验室。现在，这个实验室完成了8英寸石墨烯单晶晶圆、锗基石墨烯晶圆、超平铜镍合金单晶晶圆等新资料的小批量出产，为国产新一代电子器材的研制奠定了根底。
石墨烯制作芯片有四大优势
集成电路工业展开至今，芯片的首要资料一直是硅片。遵从摩尔定律（在价格不变情况下，集成电路上可包容的元器材数目，每隔18—24个月增加一倍，功用也提高一倍），硅芯片的工业化工艺制程现在已缩小到5纳米，工艺晋级的难度越来越大。
怎么打破摩尔定律遇到的瓶颈？用新式碳资料代替硅基资料，是业界遍及看好的处理方案。石墨烯便是一种新式碳资料，它只要一个碳原子层厚度，强度极高，比表面积巨大，导热导电功用优胜。据谢晓明介绍，与硅基资料比较，将石墨烯资料用于制作芯片有四大优势：一是单层石墨烯的厚度仅为0.27纳米，在半导体工艺制程方面，遵从摩尔定律的展开潜力比硅基资料大得多；二是石墨烯的晶体结构让自由电子搬迁不受捆绑，电子运转速度到达1/300光速，比硅芯片快100—1000倍；三是用石墨烯制作的处理器频率有望到达1太赫兹以上，比硅芯片高100—1000倍；四是石墨烯能够制成柔性薄膜，让电子产品能曲折、更便携。
由于这些优胜的功用，欧盟、美国、韩国等多个国家和地区都在石墨烯微电子技能领域进行了布局。如欧盟的“石墨烯旗舰方案”总投资10亿欧元，推进石墨烯电子学运用等技能研制。
单晶晶圆成长发明世界纪录
但是，以石墨烯为代表的二维资料在代替传统半导体资料道路上，也面对着许多应战。就像制作硅芯片的原资料是一片片硅单晶晶圆，二维微电子资料的器材运用也需求制备出石墨烯晶圆。“高质量石墨烯单晶制备被誉为石墨烯资料‘皇冠上的明珠’。”中科院上海微体系所研讨员吴天如说，“咱们花10年时间，总算把握了石墨烯单晶晶圆可控制备技能，完成了4—8英寸单晶的小批量出产。”
在国家科技严重专项、上海市科委项目支持下，谢晓明团队处理了用籽晶制备单晶的技能难题，让一个几百微米巨细的石墨烯籽晶在二维平面上成长。通过约2.5小时，籽晶能成长成1.5英寸巨细的石墨烯单晶，成长速度和单晶标准都发明了世界纪录。通过后期规划优化，这个团队已能制备8英寸石墨烯单晶晶圆。
中科院上海微体系所还在世界上初次完成了半导体锗基石墨烯CVD（化学气相堆积）制备，研制出4英寸锗基石墨烯晶圆。这种资料与当时干流的集成电路制作工艺线有杰出的兼容性。微体系所研制出的另一种二维资料名为六方氮化硼，它俗称“白石墨烯”，与石墨烯结构相似，却是绝缘体。这对“是非伙伴”相互配合，既能提高资料归纳功用，又有利于开发出新的器材功用。
迄今为止，中科院上海微体系地点石墨烯资料制备与器材运用领域已请求100余项专利，授权70余项，其间世界专利9项。
功用型渠道加快工业化进程
怎么把这些世界一流的科研效果转化为实际出产力？二零一九年9月，中科院上海微体系所与上海市石墨烯功用型渠道签约协作，由后者的立异实验室承当中试作业，扩展石墨烯晶圆等产品的出产规模。
作为上海市政府布局建造的研制与转化功用型渠道之一，石墨烯功用型渠道归于新式研制组织，以石墨烯运用需求为牵引，具有技能立异、中试及工业化的中心服务才能；以“基地+基金+人才”形式集聚并装备技能、人才、资本市场等立异资源，培养石墨烯工业集群。