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另辟蹊径,石墨烯带来不一样的半导体制造方法

2017/5/4 16:51:12来源:半导体行业观察 【字体:

导 读: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。
关 键 词:石墨烯 半导体 制造

  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。随着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。
 
  不一样的石墨烯应用技术
 
  近年来,与石墨烯相关的研究和产业化正在持续升温。
 
  欧盟委员会在2013年将石墨烯列为“未来新兴技术旗舰项目”之一,该项目的研究范围十分广泛,其中石墨烯的制备是核心;韩国政府则投入研发费用14亿美元,把石墨烯材料及产品定为未来革新产业之一;从2006年开始,美国国家自然科学基金资助的石墨烯相关项目达到两百多项;而日本学术振兴机构也从2007年起开始对石墨烯相关材料、器件技术进行资助。
 
  按照最新公布的技术,工程师已经精心设计了控制程序,将单层的石墨烯材料放在价格昂贵的晶圆上,然后在这些石墨烯层面上生成半导体材料。
 
  这些工程师发现,石墨烯有非常良好的性能,使顶层的材料性能完全复制到底层的晶体,所印制的图案完全不受石墨烯的影响。
 
  石墨烯的性能也非常“平滑”,这使得石墨烯很能与其他材料融合,这样工程师就能够非常简单的将顶层的晶圆从石墨烯上剥离。
 
  Jeehwan Kim,在机械工程和材料科学的课程上曾经表示,传统的半导体生成衬底,在生成半导体晶圆的时候,具有很强的粘性,这就是的,在不损害上下两层晶圆的情况下将衬底剥离几乎是不可能的事情。
 
  Kim表示:“最终我们不得不牺牲其中一层,最终会黏着在设备上。”
 
  随着新技术的厂商,Kim认为,未来,制造商能够使用石墨烯作为衬底,在衬底上生成晶圆。这种方法,除了可以节省晶圆的成本之外,也能够为半导体材料开拓更多的机会。
 
  “半导体行业现在已经硅晶圆所束缚,由于成本的原因,即使我们知道有很好的方法来提高性能,也无法将其用于商业。”Kim表示,“现在这种材料将能够使我们在半导体的材料选择和性能方面更加自由。”
 
  从电学特性到机械特性的转变
 
  自从2004年发现石墨烯材料以来,研究人员一直致力于研究其电学特性,以期提高电子器件的性能,降低成本。石墨烯是一种非常好的材料,电流在流过石墨烯之后几乎没有什么损耗。
 
  基于这个原因,研究人员一直致力于将石墨烯做成廉价、高性能的半导体的方法。
 
  Kim表示,人们希望我们能够找到方法将石墨烯制作成真正的电子设备,但是事实证明,这是一件非常困难的事情。
 
  事实上,阻止电子流过石墨烯层是非常困难的,这种也行使得石墨烯能够成为一种非常好的导体,但是做半导体性能就很差。
 
  Kim的团队采用了一种全新的方法,使得在半导体中使用石墨烯成为现实。研究人员转变了思路,没有过多的关注石墨烯的点穴特性,而是专注于研究石墨烯的机械特性。
 
  “我们非常有信心能够在半导体中使用石墨烯材料,这是基于石墨烯良好的材料特性。”Kim表示。
 
  “非常有趣的是,石墨烯内部只有很弱的范德华力,这意味着石墨烯在垂直方向上没有很大的引力,所以石墨烯的表面会很滑。”
 
  石墨烯的复制与剥离
 
  该团队表示,超薄的石墨烯层能够拥有非常好的特性,可以夹在衬底和半导体层之间,为其提供一个几乎难以察觉的表面,允许半导体材料中的原子重新排列,形成性能非常好的半导体材料。
 
  这一方法一旦被采用,在石墨烯上印制半导体材料之后,制造商能够很容易的将石墨烯材料剥离,这一方法能够极大的降低晶圆的损耗。
 
  研究小组还发现,这一名为“远程外延”的技术,能够成功的复制和剥离来自另一半导体层的半导体特性。
 
  研究人员已经成功的将这一方法应用于晶圆和半导体材料中,包括磷化铟,磷化镓等多种比硅还要昂贵的材料。
 
  Kim表示,这项技术在理论上能够是制造上无限次的重复使用晶圆——从硅和半导体材料的角度。
 
  “这是一种非常特别的石墨烯使用方法。”石墨烯材料研究的先驱,哈佛大徐的物理学教授,Philip Kim在谈到这一技术时表示,即便他并没有参加这一研究小组。“这一技术能够很容易的整合到现有的半导体制造过程中去,并能够彻底的改变半导体异质结构的生成方式,从而形成全新的电子元器件和光学器件。”
 
  难以预估的未来
 
  石墨烯的剥离技术也可能在未来改变柔性电子元器件的发展进程。一般来说,晶圆都是非常坚硬的,与这些晶圆整合在一起的设备也是同样的难以任意弯曲。Kim表示,使用这一技术,像太阳能和LED这样的半导体设备在未来都可能任意弯曲和扭转。
 
  众所周知,三星已经开始了可弯曲、可折叠智能手机的设计工作,像 LG 甚至是国产 OPPO 也都已经开始探索柔性显示屏。三星目前呼声最高,被认为 2019 年就能够发布折叠手机,该机型将会是 Galaxy X 系列,主要得益于自家技术的柔性 OLED 显示屏幕。
 
  事实上并非如此,一款真正可弯曲或可折叠的智能手机,除了柔性屏幕之外还有很多技术问题需要解决,尤其是内部组件,包括电池、电路和嵌入到主板上的各种元器件等等,这些东西也都要实现柔性可弯曲才算得上真正灵活多变。虽然从技术角度上来说,实现柔性内部组件可能要等待很长一段时间,但确实已经有这方面的研发成果了。
 
  事实上,该研究小组已经在麻省理工学院使用这一技术制造了一个柔性LED显示屏,来演示这一技术的可行性。
 
  “想象一下,如果你想在自己的汽车中安装太阳能电池,但是现在的技术很难在汽车中安装弯曲的太阳能电池,这一技术使得这成为了可能。”Kim表示。“未来这一技术可以在汽车上做涂层或者是整合到衣服中去。”
 
  未来,研究人员技术用这一技术设计“母片”,然后在这些母片上制作各种材料。
 
  利用石墨烯材料,研究团队希望能够制造出更多高性能的设备。目前,他们还在研究将这一技术应用到半导体设备和复合结构中去。
 
  “现在,使用特殊的材料成为一种趋势。”Kim表示,“以后,再也不需要担心芯片的成本了。使用这一技术,在母片上生成半导体设备,然后剥离之后重新使用,极大的降低了成本。”
 
  目前这一技术有麻省理工学院和LG电子研究中心合作的项目进行支持。
 
  由于石墨烯在散热、导电、透光等方面性能优良,并且韧性好、结构稳定,所以自发现以来得到了快速发展,其产业形态基本形成。有分析认为,到2020年全球石墨烯产业产值有望达到2.78亿美元,这显示其市场前景十分广阔。
 
  中国石墨烯制造处于世界领先地位
 
  石墨烯在中国落地已六年有余,有关石墨烯的身份角色及应用场景的争议从未停止过。
 
  也许有人会说这么好的东西,那价格铁定死贵啊,我等老百姓何时才能用上啊……
 
  其实石墨烯一点也不贵,因为全球第一条和第二条真正实现规模化、低成本、高品质的石墨烯生产线就在中国!在2013年底,宁波墨西科技有限公司和重庆墨希科技有限公司先后建成年产300吨石墨烯生产线和年产100万平米的生产能力的石墨烯薄膜生产线,并将石墨烯的制造成本从每克5000元降至每克3元。
 
  2015年年初,浙大教授高超成功研发了一种新型、廉价、无毒的铁系氧化剂,使石墨烯制备过程快、成本低、无污染,适用于工业化大规模制备。《自然—通讯》审稿人对该技术的评价是“该方法对石墨烯未来的进一步应用具有重要意义。”
 
  在石墨烯的应用上,中国研究人员也已拿出了有分量的成果。中科院重庆绿色智能技术研究院成功制备出国内首片15英寸的单层石墨烯显示屏,该项技术被应用于今年上市的一款名为“开拓者α”的手机,该手机在采用由中国科学院重庆绿色智能技术研究院和中国科学院宁波材料技术与工程研究所开发的石墨烯触摸屏、电池和导热膜等新材料后,手机触控屏幕不偏色不泛黄,色彩真实、纯净,通透性也比传统屏幕好,手机充电速率提高了40%,电池寿命延长了50%,电池的能量密度也增加10%。
 
  石墨烯的发现者安德烈·海姆曾公开表示,中国石墨烯的产业化水平处于国际领先地位。
 
  从专利申请数量这一指标来看,中国石墨烯产业技术创新战略联盟的统计数据显示,2015年中国石墨烯相关专利受理数量为7522件,居全球首位,美、韩紧随其后。
  
另辟蹊径,石墨烯带来不一样的半导体制造方法
 
  目前国内约有400多家经营石墨烯业务的企业,将石墨烯作为主营业务的约70家,多呈小型、初创等特点。按经营业务划分,还可进一步分为粉材企业和膜材企业,前者数量约50家,后者约10家。
 
  “中国的石墨烯产业发展主要依托于民营企业、中小企业以及上市公司的投入,主要目的是为了解决现阶段产业提升转型。”中国石墨烯产业技术创新战略联盟秘书长李义春向界面新闻记者指出,国内的石墨烯产品多为针对两三年以内可以形成产业的应用。
 
  “例如将石墨烯添加到现有材料里提升其性能。”他说,“石墨烯的高端应用需要大量资金投入,三五年后才可能形成产业应用,民营企业很难有实力去进行布局。”
 
  石墨烯民用产品开发成为主流,是中国石墨烯行业现阶段的特点之一。该类产品直接面向个人消费者,产品的市场验证时间不长;工业类产品因为下游客户对材料的应用需要很多工程化的验证,则需要相对较长的验证时间,所以目前市场占比并不大。
 
  低端化为主,中国应用仍需努力
 
  在2014-2016年间,国内企业相继推出了石墨烯内衣裤、U形枕、轮胎、涂料、加热片、移动电源、保健用品等产品,多将石墨烯粉体添加至各类产品中改善性能,应用领域极广。但因用量较少且不发挥主要作用,石墨烯只能作为辅助材料使用,由此获得了“工业味精”的称号。
 
  随着技术的不断成熟和进步,石墨烯在半导体领域的应用形态和方式还会有很多。虽然石墨烯大规模产业化应用还没开始,但在各国政府和企业大量资金、人力、物力的投入下,相信已经不远了。
 
  但是,中国目前推出的石墨烯产品普遍呈低端化特点,还没有发挥石墨烯的“真正能量”。中国市场要想将石墨烯材料用于芯片等高端应用领域还有很长的路要走!(文/刘燚)
 
 
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