材料創(chuàng)新一直是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中重要的一環(huán)。過去，最重要的是高κ閘極介電質(zhì);現(xiàn)在，則是鈷成為在半導(dǎo)體中段制程(middle-of-line;MOL)觸點(diǎn)中替代鎢的重要元素。

2004年發(fā)現(xiàn)的石墨烯，是迄今最輕薄但最強(qiáng)大的材料。它是碳的一個(gè)原子層，它比鋼更強(qiáng)勁200倍，同時(shí)也是人類已知最輕薄的材料——每平方公尺的重量約0.77毫克(mg)。它同時(shí)也是室溫下的理想導(dǎo)電和導(dǎo)熱體。

由于石墨烯是一個(gè)原子層，因此既柔軟且透明。它還能在可見光與近紅外線頻譜范圍展現(xiàn)均勻吸收光的能力，而且適用于自旋電子元件。

針對(duì)即將出現(xiàn)的新半導(dǎo)體制程節(jié)點(diǎn)，石墨烯將在其先進(jìn)封裝與互連材料方面發(fā)揮重要作用。在3D IC封裝中，石墨烯可作為散熱片，用于降低整體熱阻，或作為EMI屏蔽，以降低串?dāng)_。

主動(dòng)式石墨烯元件層可經(jīng)由低溫轉(zhuǎn)換制程(< 400°C)彼此堆疊，實(shí)現(xiàn)支援近記憶體運(yùn)算(memory-near-compute)的高密度異質(zhì)元件。這是目前美國(guó)國(guó)防部先進(jìn)計(jì)劃署(DARPA)目前正積極研究的一個(gè)領(lǐng)域，同時(shí)也是其15億美元電子振興計(jì)劃的一部份。

至于互連，銅的動(dòng)能逐漸消逝，而成為重大的IC瓶頸，預(yù)計(jì)在7nm節(jié)點(diǎn)時(shí)達(dá)到40%的延遲。石墨烯由于具有較高的電子遷移率和導(dǎo)熱性，使其成為半導(dǎo)體中段和后段制程中更具吸引力的互連材料，特別是在線寬< 30nm時(shí)。

基于石墨烯的半導(dǎo)體應(yīng)用已經(jīng)開始進(jìn)入市場(chǎng)。在今年于巴塞隆納舉行的世界行動(dòng)通訊大會(huì)(MWC 2018)展出了一款整合石墨烯調(diào)變器和光探測(cè)器的新型光收發(fā)器，可實(shí)現(xiàn)高達(dá)每通道25Gbits/s的速度。美國(guó)圣地亞哥一家公司Nanomedical Diagnostics已經(jīng)開始銷售使用石墨烯生物感測(cè)器的醫(yī)療裝置了。而在歐洲，Emberion正在打造石墨烯光電感測(cè)器，用于改善低光條件下的感測(cè)能力，還可望在光達(dá)應(yīng)用中找到一席之地。

離子布植(ion implantation)技術(shù)的發(fā)展歷史正是石墨烯如何用于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的最佳寫照——從基礎(chǔ)科學(xué)發(fā)現(xiàn)演變至實(shí)驗(yàn)室研究，再進(jìn)展到實(shí)際于廠房制造的過程。

在離子布植技術(shù)發(fā)展之初，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)當(dāng)時(shí)的主流觀點(diǎn)并不看好這種技術(shù)實(shí)際可行(相對(duì)于熱擴(kuò)散)，就算它能起什么作用，也只是略微提高現(xiàn)有產(chǎn)品的制造產(chǎn)量。從核子物理研究轉(zhuǎn)移離子轟擊技術(shù)到半導(dǎo)體生產(chǎn)并不明顯。

后來，英國(guó)物理學(xué)家Peter Rose主導(dǎo)的Varian公司打造了一種新的先進(jìn)離子布植工具，美國(guó)德州DRAM制造商Mostek已經(jīng)用它制造出具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的MOS IC了。Varian和Mostek雙方的成功合作是離子布植發(fā)展成為主要的半導(dǎo)體制程之轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

在其后幾年，晶片公司在越來越多的制程步驟中導(dǎo)入離子布植技術(shù)。大約在1970年代后，它逐漸成為半導(dǎo)體制造所使用的主要制程之一。

同樣地，石墨烯產(chǎn)業(yè)也必須與半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)密切合作，共同開發(fā)足以克服石墨烯挑戰(zhàn)的工具和技術(shù)。唯有如此，我們才能完全實(shí)現(xiàn)包含這種2D材料的未來。

石墨烯的挑戰(zhàn)包括在大面積上生長(zhǎng)具有良好均勻性的材料。此外，如何以CMOS相容方式轉(zhuǎn)移石墨烯以及實(shí)現(xiàn)高吞吐量等方面也存在需要解決的問題。