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告别硅芯片,迈入碳芯片时代编辑本段回目录

下一代的半导体组件可能是利用碳而非硅材料,美国宾州大学的研究人员声称,已成功制造出可生产纯碳半导体组件的4寸(100mm)石墨烯(graphene)晶圆。 

宾州大学光电材料中心(EOC)的研究人员指出,他们所开发的制程能生产出速度比硅芯片快100~1,000倍的石墨烯芯片,此外也能用以制造敏感度更高的传感器、电子组件、显示器、太阳能电池与氢(hydrogen)储存设备。 

石墨烯是碳的结晶型,会自组装(self-assembles)为适合制作电子组件的二维六角数组(hexagonal arrays);但可惜的是,若利用传统的沉积技术将碳长成1寸以上的薄片(sheet)时,该种材料又会变质成不规则的石墨烯结构。 

而宾州大学EOC的研究人员David Snyder与Randy Cavalero则表示,他们用一种称为硅升华(silicon sublimation)的方法解决了以上问题;这种方法是以加热的方式,将碳化硅(silicon carbide)晶圆片上的硅去除,留下纯石墨烯。

4寸石墨烯晶圆可包含约7万5,000颗组件以及测试结构;右上方的小图是每颗芯片的放大

该研究团队的技术利用了气相传导炉(vapor transport furnace),激化硅从晶圆片的表面迁移,留下1~2个原子厚度的石墨烯薄膜;虽然过去也有人尝试过以硅升华方法来制造石墨烯,但EOC是第一个利用该制程生产出4寸晶圆片的团队。

赞助上述研究的美国海军水面作战中心(Naval Surface Warfare Center),正与EOC研究人员合作开发超高频RF晶体管;EOC材料科学家Joshua Robinson已经利用石墨烯制作出该组件的初期原型,接下来研究团队的目标是制造速度比硅晶体管快一百倍的石墨烯晶体管。

EOC还有另一个研究团队则正试图改善非升华技术,以制作出8寸石墨烯晶圆片,也就是目前大多数硅晶圆厂设备所支持的标准尺寸。

碳芯片技术迈向商业化编辑本段回目录

为各种有机化合物基础成分的碳(cabon),注定将取代它在化学元素周期表的楼下邻居硅(Si)成为未来半导体组件的材料首选?无论是哪种结构,碳在散热、频率范围甚至超导电性的表现上都优于硅。

市场研究机构Gartner资深分析师Dean Freeman认为,在碳科技中已经最接近商业化的,就是发展时间已经超过15年的钻石。钻石是三维架构的碳,根据供应硅晶圆片上40纳米(nm)~15微米(micron)钻石薄膜的厂商指出,其散热效率是硅的10倍。

二维架构的碳,是厚度3埃(angstrom)的单分子层,又称为石墨烯(graphene),则可藉由比硅高十倍的电子迁移率,达到兆兆赫(terahertz)等级的频率表现。至于一维架构的碳,则是直径1nm的纳米管(nanotube),其超越硅的特长则在于速度,可达到有机晶体管的10倍。

还有零维架构的碳,是一种60个原子大小的中空球体,称为富勒烯(fullerenes);这种材料则能解决硅无法达到高温超导体的问题。与碱金属(alkali-metal)原子插层(Intercalation)排列、紧密封装的富勒烯,能在38K温度下达到超导。

在接下来的几年内,碳制程技术就可能取代几乎所有的电路材料,例如互连组件用的导体、我们熟知的半导体,以及隔离装置用的绝缘体。但产业界最快何时会开始大量使用碳材料,特别是在眼前不明朗的经济情势下,还有待观察。

Gartner的Freeman指出,有两家美国公司Nantero与SVTC曾合作为无晶圆厂IC供货商提供业界首创的纳米管薄膜开发代工服务,旨在为商业CMOS芯片添加纳米管薄膜制做的高性能导线。Nantero虽已用碳纳米管开发出数款组件,却找不到有意将这些组件商业化的客户。

「碳纳米管已经被22纳米制程以下的CMOS组件,视为最可行的导线材料;这意味着还需要至少五年才会看到其商业化。」Freeman表示。

包 括杜邦(DuPont)等大公司也开发过碳纳米管薄膜,NEC还曾将其实际应用在采用软性塑料基板的电子组件上。还有Nanocomp等公司则是将奈米管 嵌入碳纤维板中,可感测裂缝或是其它的结构缺陷;此外正在开发的纳米管缆线不但在导电性上媲美铜,重量还能减轻80%。

正在公司内部主导碳晶体管技术研究的IBM院士Phaedon Avouris则表示,纳米碳管已经被用来制造导电、散热性更好的各种材料,而他认为在软性基板上制造具备微米级信道的薄膜晶体管,会是纳米碳管的首度商业化应用。

碳电子组件的开发者并不是打算跟发展成熟的硅半导体技术打对台,而是希望创造出一个具备全新电子功能的族系;从让人忆起旧时大型硅晶体管的微米尺寸组件开始。

现在已有美国业者厂商如Applied Nanotech开发出印刷式的纳米管墨水(ink),可搭配如Optomec等公司提供、采用非接触式悬浮微粒喷墨印刷机的低温沉积系统;这些成本低廉的生产设备能锁定诸如塑料太阳能电池、RFID卷标等对价格敏感的市场。

参考文献编辑本段回目录

http://www.eet-china.com/ART_8800597308_480201_NT_c3736b50.HTM


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标签: 碳芯片 carbon chip

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