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石墨烯为半导体制造开辟新方向

http://www.ec.hc360.com2017年05月05日09:15 来源:慧聪电子网T|T

    2016年,全球半导体销售额达到最高,为3390亿美元。与此同时,半导体产业在芯片上的投入约为72亿美元,作为微电子元件的基板,这些芯片可以用来制作晶体管、发光半导体和其他电子元器件。在半导体销售额不断增长的今天,如何能够更好的减少的随之而来的在半导体芯片方面的投入是未来不得不面对的问题。目前很多厂商和研究机构都在寻找新的方法。

    近日,由麻省理工学院的工程师研制的一种新技术,可以大大减少晶圆技术的投入,与传统的半导体工艺相比,这种技术能够使设备更加多元化和更高的性能。

    在《自然》杂志上公布的这项新技术使用的是石墨烯材料——单原子层石墨——就如同复制机器一般能够将底层的材料性能复制到顶层。

    什么是石墨烯材料

    石墨烯是一种二维晶体,人们常见的石墨是由一层层以蜂窝状有序排列的平面碳原子堆叠而形成的,石墨的层间作用力较弱,很容易互相剥离,形成薄薄的石墨片。当把石墨片剥成单层之后,这种只有一个碳原子厚度的单层就是石墨烯。

    自从石墨烯在2003年被发现以来,研究者发现它具有优异的强度、导热性和导电性。最后一种性质使得这种材料非常适合用来制作电路中的微小接触点,但最理想是用石墨烯自己制成电子元件——特别是晶体管。

    要做到这点,石墨烯不仅需要充当导体,也要有半导体的功能,这是电子元件需要进行的通断切换操作的关键。半导体由其带隙所定义的,带隙指的是激发一个电子,让它从不能导电的价带跃迁到可以导电的导带所需要的能量。带隙必须足够大,这样来使得晶体管开和关之间的状态才对比明显,这样它才能准确无误地处理信息。

    常规的石墨烯是没有带隙的——它特殊的波纹状价带和导带实际上是连在一起的,这使得它更像是金属。尽管如此,科学家们试图分开这两个带。通过把石墨烯制造成奇特的形状,如带状,目前最高可以让带隙达到100meV,但这对电子工程应用来说还是太小了。

    相对于通过前端设计提升微结构来提高芯片性能,通过后端设计来提升主频显然更加简单粗暴,研发周期也更短(微结构研发一般要3年),更适合商业推广。

    硅基材料集成电路主频越高,热量也随之提高,并最终撞上功耗墙。目前硅基芯片最高的频率是在液氮环境下实现的8.4G,日常使用的桌面芯片主频基本在3G到4G,笔记本电脑为了控制CPU功耗,主频普遍控制在2G到3G之间。

    但如果使用石墨烯材料,那么结果就可能不同了。因为相对于现在普遍使用的硅基材料,石墨烯在室温下拥有10倍的高载流子迁移率,同时具有非常好的导热性能,芯片的主频理论上可以达到300G,并且有比硅基芯片更低的功耗——早在几年前,IBM在实验室中的石墨烯场效应晶体管主频达155G。

    因此,在前端设计水平相当的情况下,使用石墨烯制造的芯片要比使用硅基材料的芯片性能强几十倍,随著技术发展,进一步挖掘潜力,性能可能会是传统硅基芯片的上百倍!同时还拥有更低的功耗。

    石墨烯在半导体领域的应用

    作为新兴材料,石墨烯能广泛应用于燃料电池、材料改性、防锈防滑、海水淡化、军事工业等多个领域,这已经是业界共识。事实上,由于在已知材料中电阻率最小、导热系数最高,所以石墨烯被认为是最理想的电极和半导体材料,其最佳、最具潜力的应用是成为“硅”的替代品,用来制造超微型晶体管,生产未来的超级计算机。

    众所周知,过去几十年,硅几乎是制造芯片的唯一选择,以硅为材料的各类型芯片在制程工艺上快要达到了物理极限(7纳米),这极大的限制了各类计算芯片处理性能的提升。然而,科技永远是在进步的,石墨烯的问世或许能有效的解决硅基材料的物理极限问题。那么,石墨烯在电极和半导体领域究竟能做哪些事情呢?

    1、光电半导体产品。以其非常好的透光性、导电性和可弯曲性,在触摸屏、可穿戴设备、OLED等领域中发挥作用。这也是目前公认最可能首先实现商业化的领域。

    2、制造传感器。石墨烯因其独特的二维结构,且具有体积小、表面积大、灵敏度高、响应时间短等特点,能提升传感器的各项性能。随著物联网和和可穿戴技术的不断发展,未来对传感器的需求将会越来越高,相信石墨烯能够扮演不错的角色。

    3、微电子器件。由于物理极限的限制,石墨烯在未来的晶圆、计算芯片以及各类型的微电子器件中都能担当大任,并发挥其独特的性能。

    举例来说,目前主流的4G系统基站虽然已经采用了负责基带处理的BBU+负责射频的RRU通过光纤拉远的架构,但由于机房站址资源日益稀缺和高成本,将BBU集中设置以节省机房的需求越来越强烈,同时也要求对基带资源共享、集中调度等功能的实现。

    由于基带信号对带宽和各项处理资源的消耗很大,现有芯片和背板处理速度根本无法实现更大规模的基带资源集中调度和共享,同时在散热、功耗等方面也面临很大挑战。

    若采用石墨烯材料,不但芯片处理能力、数据交换速率能得到大幅提升,石墨烯良好的导热、导电和耐温特性也使得在散热、功耗方面的要求降低,进而实现处理能力达到上万载频的集中式基带资源池。

    目前,不少研究机构和企业已经开始将石墨烯技术应用到半导体领域了。诸如,新加坡南洋理工大学开发的敏感度是普通传感器1000倍的石墨烯光传感器;美国哥伦比亚大学研发出的石墨烯-硅光电混合芯片;IBM研究人员开发出的石墨烯场效应晶体管等等,都为石墨烯在半导体领域的应用指明了方向。

责任编辑:李嘉

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