最近数十年，制造商安装在集成电路上的元件越来越多，集成电路上的晶体管数量差不多每两年就会翻番，这就是著名的摩尔定律。目前，集成电路的设计多是基于硅半导体的器件，而随着科技的发展，摩尔定律总有终结的一天。比如目前所面临的一个问题是，硅材料的加工极限一般认为是10纳米线宽，小于10纳米后不太可能生产出性能稳定、集成度更高的产品，10纳米成为硅材料技术无法再发挥作用的小型化极限。这就对集成电路的性能如速度等提出了更高的要求，需要开发新的具有更高载流子迁移率的材料体系和新的技术手段来进一步延展摩尔定律以及超越硅材料体系，推进集成电路技术的发展。
而石墨烯材料有较高的载流子迁移率和饱和速度，石墨烯的二维平面结构又可与传统的硅材料集成，被认为是具有极大的应用前景，可替代硅的下一代集成电路新材料。
英国曼切斯特大学物理和天文学系的安德烈·K·海姆（Andre Geim）教授和科斯佳·诺沃谢洛夫（Kostya Novoselov）研究员是石墨烯材料的发现者，也是世界上最小晶体管的发明人，最小晶体管仅1个原子厚10个原子宽，所采用的材料正是石墨烯。
他们使用标准晶体管工艺首先在单层石墨膜上用电子束蚀刻通道。然后，电子被密封在称为“岛”的剩余中心部分，形成量子点。石墨烯晶体管的栅极部分的结构是10多纳米的量子点夹在几纳米的绝缘介质中。这种量子点通常被称为“电荷岛”。由于施加电压后量子点的电导率发生了变化，因此量子点可以像标准场效应晶体管一样记忆晶体管的逻辑状态。
石墨烯晶体管
2010年，美国宾夕法尼亚州立大学制成了100mm的纯石墨烯晶圆，IBM的研究人员随后在《科学》杂志上也展示了迄今为止频率最高的射频石墨烯晶体管，速度高达100GHz(每秒1000亿次循环)，而此前的最好成绩是40GHz。
但是，对于普通的石墨烯晶体管，由于具有较小的开关比，很难用于逻辑器件的制备。而场效应管（FET, field-effect transistor）具有高开关比，是一种利用输入回路的电场效应来控制输出回路电流的半导体器件，它是数字和模拟集成电路中占主导作用的元件，也是常见的功率器件。
场效应管已经实现集成，广泛应用在存储芯片和处理器中。由于它仅靠半导体中的多数载流子导电，又称单极型晶体管。场效应管按结构，可分为结型和绝缘栅型两大类。其特点是输入电阻高、功耗低、动态范围大以及能够驱动较大功率的电路。
由于允许较小的电流或电压来调节电流，因此场效应管常用作电子开关和放大器如传感器等。
场效应管与晶体管的比较：
（1）场效应管是电压控制元件，而晶体管是电流控制元件。在只允许从信号源取较少电流的情况下，应选用场效应管；而在信号电压较低，又允许从信号源取较多电流的条件下，应选用晶体管。
（2）场效应管是利用多数载流子导电，所以称之为单极型器件，而晶体管是即有多数载流子，也利用少数载流子导电，被称之为双极型器件。
（3）有些场效应管的源极和漏极可以互换使用，栅压也可正可负，灵活性比晶体管好。
（4）场效应管能在很小电流和很低电压的条件下工作，而且它的制造工艺可以很方便地把很多场效应管集成在一块硅片上。
中国科学院微电子研究所，清华大学，华为等都有过基于石墨烯场效应管的研究，并获得了一些技术成果。国外的石墨烯场效应晶体管和集成芯片已经实现产业化。
01 BGTMATERIALS
英国BGT Materials Limited(BGTM)成立于2013年11月，注册在英国曼彻斯特。BGT是全球第一家被英国国家石墨烯研究院邀请成为战略伙伴的公司。2014年开始2010年诺奖得主安德烈•盖姆于加入本公司担任执行董事职位，康斯坦丁•诺沃肖洛夫爵)担任技术董事，是全球第一家有石墨烯诺贝奖得主参予担任董事的公司。
BGT材料公司在两位董事加入后，就把公司原本营运方向从单纯的石墨烯材料供货商转换为专注于把石墨烯产业化的技术孵化公司。
BGT研发了世界上第一个基于石墨烯的场效应晶体管。BGT的Grat FET是一个带有9个不同GFET芯片（或FET阵列）的晶片，每个芯片有64个FET。
02 Graphenea
国际知名石墨烯企业Graphenea成立于2010年，是世界领先的石墨烯生产商。其致力于为全球60多个国家和地区的客户成功开发石墨烯应用做出贡献。通过研究和创新，为客户提供的产品组合包括：CVD石墨烯薄膜、石墨烯场效应晶体管芯片（GFET）、石墨烯铸造服务（GFAB）和石墨烯氧化物。Graphena的位于西班牙（San Sebastián）和美国（波士顿）。
图：微芯片上的石墨烯GFET器件GFET-S10（摘自graphenea官网）
GFET依赖于在分析物存在下电荷载流子密度变化的成熟技术。由于检测到分析物的存在，石墨烯中电荷载流子密度的变化转化为通过石墨烯晶体管的电压或电流的变化。这种传感原理可用于检测气体、液体或固体材料，例如生物材料。
图：GFET传感器的示意图（摘自Chem. Sci., 2012, 3, 1764, with permission of The Royal Society of Chemistry）
Graphenea首先推出了两种标准的GFET-for-sensing配置，称为GFET-S10和GFET-S20，每个配置在一平方厘米的芯片上包含36个单独的GFET，但器件布局不同。
GFET-S10具有均匀分布在管芯上的器件，GFET-S20的器件集中在管芯的中心，电源焊盘位于管芯边缘。GFET-S20器件均具有2探头几何结构，用于在探测期间探测电气特性，而GFET-S10具有30个具有霍尔杆几何结构的器件和6个具有2探针几何结构的器件。
图：微芯片上的石墨烯GFET器件GFET-S20（摘自graphenea官网）
GFET-S20（裸片尺寸10 mm x 10 mm） – 经过1000级无尘室处理。GFET-S20芯片提供36个石墨烯器件，分布在四个象限中，器件位于芯片中心，探针焊盘位于芯片外围附近。所有设备都是双探头设备几何形状。芯片的顶部感应液滴，可以在液体环境中进行测量或使用液体介质对器件进行功能化。
03 我国石墨烯在半导体领域的发展现状
我国的石墨烯场效应管虽尚无量产产品，但华为已经公布其石墨烯场效应管的专利，一旦石墨烯晶体管投入市场，意味着我国半导体行业将得到极大的发展。而其他半导体领域的研究也在快马加鞭地研制。
2021年底，中国科学院宣布成功开发8英寸石墨烯晶圆，据报道，该团队开发的石墨烯晶圆在质量和尺寸方面处于世界前列，此举为国内芯片迈出的关键一步，中国”芯”之路指日可待。
之前，中国在半导体领域缺乏核心技术，长期不得不花大量资金从国外购买。有了此项成果，预计在未来应用普及后中国将在微电子技术方向上实现质的飞跃，这一结果让很多人感叹，因为石墨烯，中国终于快拥有自己的核“芯”！
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