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推动芯片产业前进,石墨烯将立大功

来源:半导体行业观察 编辑:马路锋 浏览量:70 发布时间:2018-09-14

文章摘要:

       日前,知名媒体EET报道,他们认为石墨烯芯片在未来将会成为延续摩尔定律的关键。他们认为,针对即将出现的新半导体制程节点,石墨烯将在其先进封装与互连材料方面发挥重要作用。在3D IC封装中,石墨烯可作为散热片,用于降低整体热阻,或作为EMI屏蔽,以降低串扰。美国15亿美元的电子复兴也将石墨烯列为重点关注方向。


  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,随着技术发展,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。


  石墨烯芯片的机会与挑战


  石墨烯因其超薄结构以及优异的物理特性,在 FET 应用上展现出了优异的性能和诱人的应用前景. 如 Obradovic 等研究发现,与碳纳米管相比,石墨烯 FET 拥有更低的工作电压﹔Wang等所制备的栅宽 10nm 以下的石墨烯带 FET 的开关比达 10e7﹔Wu 等采用热蒸发 4H-SiC 外延生长的石墨烯制备的 FET,其电子和空穴迁移率分别为 5,400 和 4,400cm2/(V·s),比传统半导体材料如 SiC 和 Si 高很多﹔Lin 等制备出栅长为 350nm 的高性能石墨烯 FET,其载流子迁移率为 2700 cm2/(V·s),截止频率为 50 GHz,并在后续研究中进一步提高到 100 GHz﹔Liao 等所制备的石墨烯 FET 的跨导达 3.2 mS/μm,并获得了迄今为止最高的截止频率 300 GHz,远远超过了相同栅长的 Si-FET (~40GHz)。


  然而, 由于石墨烯的本征能隙为零,并且在费米能级处其电导率不会像一般半导体一样降为零,而是达到一个最小值,这对于制造晶体管是致命的,为石墨烯始终处于“开”的状态。


  另外,带隙为零意味着无法制作逻辑电路,这成为石墨烯应用于晶体管等器件中的主要困难和挑战。因此, 如何实现石墨烯能带的开启与调控,亟待研究和解决。据文献报道,一般采用两种方法实现石墨烯能带的开启与调控,即﹕掺杂改性和形貌调控。Nature Nanotechnology 评论明确指出﹕要深入挖掘石墨烯的优异物理特性,以制备高性能石墨烯 FET,其重要基础和关键之一是获得宽度与厚度(即层数)可控的高质量石墨烯带状结构。带状石墨烯因其固有而独特的狭长“扶椅”或“之”状边缘结构效应、量子限域效应而具有丰富的能带结构,其能隙随着石墨烯的宽度减小而增大,且和石墨烯的厚度密切相关,成为石墨烯 FET 沟道材料的理想选择。


  纳米碳材料,特别是石墨烯具有极其优异的电学、光学、磁学、热学和力学性能,是理想的纳电子和光电子材料。石墨烯具有特殊的几何结构,使得费米面附近的电子态主要为扩展π态。由于没有表面悬挂键,表面和纳米碳结构的缺陷对扩展 π 态的散射几乎不太影响电子在这些材料中的传输,室温下电子和空穴在石墨烯中均具有极 高的本征迁移率 (大于 100000 cm2/(V·s)),超出最好的半导体材料(典型的硅场效应晶体管的电子迁移率为 1000 cm2/(V·s))。


  作为电子材料,石墨烯可以通过控制其结构得到金属和半导体性管。在小偏压的情况下,电子的能量不足以激发石墨烯中的光学声子,但与石墨烯中的声学声子的相互作用又很弱,其平均自由程可长达数微米,使得载流子在典型的几百纳米长的石墨烯器件中呈现完美的弹道输运特征。典型的金属性石墨烯中电子的费米速度为 υF= 8×10e5 m/s,室温电阻率为 ρ = 10E6 Ω-cm,性能优于最好的金属导体,例如其电导率超过铜。由于石墨烯结构中的 C–C 键是自然界中最强的化学键之一,不但具有极佳的导电性能,其热导率也远超已知的最好的热导体,达到 6,000 W/mK。


  此外石墨烯结构没有金属中的那种可以导致原子运动的低能缺陷或位错,因而可以承受超过 10e9 A/cm2 的电流,远远超过集成电路中铜互连线所能承受的 10e6A/cm2 的上限,是理想的纳米尺度的导电材料。理论分析表明,基于石墨烯结构的电子器件可以有非常好的高频响应,对于弹道输运的晶体管其工作频率有望超过 THz, 性能优于所有已知的半导体材料。


  现代信息技术的基石是集成电路芯片,而构成集成电路芯片的器件中约 90% 是源于硅基 CMOS(complementary metal-oxide-semiconductor),互补金属-氧化物-半导体)技术,而硅基 CMOS技术的发展在 2005年国际半导体技术路线图 (International Technology Roadmap for Semiconductors, ITRS)宣布将在 2020 年达到其性能极限。原因在 CMOS 技术的核心是高性能电子 (n-)型和空穴 (p-)型场效应晶体管 (field effect transistor, FET)的制备,以及将这两种互补的场效应晶体管集成的技术。


  随着晶体管尺度的缩小,器件加工的均匀性问题变得越来越严重,其中最为重要的是器件的加工精度和掺杂均匀性的问题。采用传统的微电子加工技术,目前最好的加工精度约为 5nm。随着器件尺度的不断缩小,对应的晶体管通道的物理长度仅为十几纳米,场效应晶体管源漏电极之间的载流子通道的长度的不确定性将不再可以忽略不计,所以半导体材料中的掺杂均匀性问题将是另一个难以克服的问题。


  这个领域的主流方向一直是沿用硅基技术的思路,即通过掺杂,例如 K 掺杂来制备石墨烯 n型器件,但结果都不尽如人意。其中主要的问题是石墨烯具有一个非常完美的结构,表面完全没有悬挂键,一般不和杂质原子成键,是自然的本征材料。采用与石墨烯结合较弱的 K 原子掺杂结果一是不稳定,二是很难控制,不大可能满足高性能集成电路的要求。2005 年美国 Intel 公司 Chau 等人对纳米电子学的发展状况进行了总结, 他们对石墨烯基器件的主要结论是: 虽然其 p 型晶体管的性能远优于相应的硅基器件, 但其 n 型石墨烯晶体管的性能则远逊于相同尺寸的硅基器件。集成电路的发展要求性能匹配的 p 型和 n 型晶体管,n 型碳石墨烯晶体管性能的落后严重制约了石墨烯电子学的发展, 发展稳定的高性能 n 型石墨烯器件成了 2005 年之后石墨烯 CMOS 电路研究领域最重要的课题之一。


  从目前石墨烯电子学已经取得的进展来看,至少有两个重要的方面是可以确认的。第一是石墨烯器件相对于硅基器件来说具有更好的特性,无论是速度、功耗还是可缩减性,而且可以被推进到 8nm 甚至 5nm 技术节点,这正是 2020 年之后数字电路的目标。第二是石墨烯的数字集成电路的方案是可行的。


  在实验室人们已经实现各种功能的电路,原则上已经可以制备任意复杂的集成电路,特别是 2013 年 9月 26日美国斯坦福大学的研究人员在《Natures》杂志上报道采用碳纳米管制造出由 178 个晶体管组成的计算机原型。虽然目前这个原型机尚在功耗、速度方面不能和基于硅芯片模式的先进计算机比肩,但这项工作在国际上引起了巨大反响, 使得人们看到了碳基电子学时代初露的曙光。


  IBM 发表的系统计算表明,石墨烯基的芯片不论在性能和功耗方面都将比硅基芯片有大幅改善。例如,从硅基 7 nm 到 5nm技术,芯片速度大约有 20%的增加。但石墨烯 7nm 技术较硅基 7nm 技术速度的提高高达 300%,相当 15 代硅基技术的改善。


  目前石墨烯材料的主要挑战来源于规模生产面临的高可控性材料加工问题,即必须在绝缘衬底上定位生长出所需管径大小的半导体石墨烯。但是到目前为止,对石墨烯生长进行严格的控制还是没有实现。另一个问题是供应链的问题,硅的成本及稳定性的优势还在,芯片厂及封装厂谁愿意开第一枪,就让我们拭目以待。 

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