石墨烯硅烯在微電子領(lǐng)域的現(xiàn)狀與趨勢

    鋰電世界  石墨烯作為電子產(chǎn)品的基體已經(jīng)引起了許多大公司的注意，例如IBM和三星，這主要是由于其電子遷移率-理論上高達(dá)200000cm2/Vs，而硅只有1400cm2/Vs，銻化銦有77000cm2/Vs，這意味著超高速的電子遷移方式。然而這個數(shù)字只是理論上的，現(xiàn)實中我們還有很長一段距離要走。但是這將可能使電子設(shè)備的速度提高將近1000倍，這是一個從千兆到太赫茲的跳躍，難怪人們對此非常期待。

    石墨烯的“阿喀琉斯之踵”

    在“石墨烯路線圖”(由曼徹斯特大學(xué)諾貝爾獎得主與來自德州儀器、三星和其他研究所的研究人員共同撰寫的論文)中對這種樂觀情緒有一個警告：

    “由于石墨烯沒有帶隙，因此在下一個十年內(nèi)石墨烯這種材料應(yīng)用于高性能集成邏輯電路的希望不大。”

    換句話說，其開/關(guān)比不佳。開/關(guān)比是指裝置被接通和斷開時的導(dǎo)電性之間的差異。如果該比例太低，即便是已經(jīng)關(guān)閉了，晶體管還是會導(dǎo)通電子。具有大量晶體管的設(shè)備會因此而損失大量的能量，從而僅僅成為一個加熱器。這一點限制了石墨烯應(yīng)用于具有邏輯單元的裝置中。

    然而，由于其在微電子方面成功后的潛在收益是如此之大，帶隙問題并沒有阻止世界大型電子公司研發(fā)石墨烯為基礎(chǔ)的電子設(shè)備，三星和IBM在這個領(lǐng)域則是非?；钴S。

    IBM vs 三星孰強孰弱？

    IBM公司聲稱已建立世界上最先進(jìn)的基于石墨烯的芯片，比其他石墨烯片優(yōu)越近10000倍-表明之前的嘗試并不是非常完美。從CMOS制造的角度來看，石墨烯并不是一種絕佳的材料。它相當(dāng)脆弱，因此當(dāng)你在近一個原子層厚進(jìn)行沉積和蝕刻其他材料時，石墨烯很容易損壞。因此，雖然通過沉積石墨烯來制造晶體管的石墨烯通道是可能的，但是所有的后續(xù)處理步驟有可能會將其損壞，最終使其沒有優(yōu)勢。

    IBM的突破性思想是最后沉積石墨烯。相比于原位沉積，他們傾向于通過化學(xué)氣相沉積法在銅箔上生長石墨烯，然后將銅箔溶解，留下一層可由晶片“鏟起”的石墨烯。這似乎很難和通常用在半導(dǎo)體工業(yè)中的制造過程相關(guān)聯(lián)，并有報道說這樣制備的石墨烯質(zhì)量差，而且處置銅箔的方式相當(dāng)浪費和昂貴。

    三星采用的不同的方式，即在硅晶片上生長高質(zhì)量的單晶石墨技術(shù)，被稱為石墨烯研究歷史上最顯著的突破之一。和IBM公司的方法一樣，這種技術(shù)制備的石墨烯片可用于微電子。由于電阻偏高，制造可行的設(shè)備似乎有些遙遠(yuǎn)，但是目前三星似乎更關(guān)心設(shè)備和屏幕的靈活性。

    除了晶體管，石墨烯對電子的高傳導(dǎo)性可以被更廣泛地應(yīng)用于其他即集成電路中，例如作為導(dǎo)體，可以使CMOS電路更便宜，更高效。

    硅烯是石墨烯的挑戰(zhàn)者嗎?

    當(dāng)我們致力于解決石墨烯帶隙問題時，另一個二維挑戰(zhàn)者-硅烯已經(jīng)出現(xiàn)。最近報道了第一個硅烯晶體管，和石墨烯不同，硅烯這種材料具有一個帶隙，雖然很多CMOS的工程師對此都很懷疑。

    硅烯的另一個潛在優(yōu)勢就是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)在過去60年對硅而不是碳已經(jīng)非常了解。至少在理論上，這應(yīng)該意味著所需要的工藝變化不那么激烈。雖然這一切看起來都很樂觀，但是和石墨烯相比，硅烯的生產(chǎn)和處理過程絕對是噩夢。

    如果將硅烯置于兩維材料層之間以便保護(hù)它是可行的，但是這將需要開發(fā)新的生產(chǎn)工藝。其他新的二維材料，例如鍺也面臨相同的問題。

    二維材料兩馬相爭或者是一枝獨秀?

    石墨烯及其挑戰(zhàn)者在微電子方面的應(yīng)用問題，使得在短期內(nèi)看到這些反應(yīng)更加快速的設(shè)備是不可能的。國際半導(dǎo)體技術(shù)藍(lán)圖(ITRS)認(rèn)為在2020年以前不會看到不能用硅解決的方案，因此石墨烯微電子器件的發(fā)展將是一個長期的過程。根據(jù)正在進(jìn)行的研究的數(shù)量，我將賭注下在二維材料的組合上。

    但上述所有的先決條件是，我們繼續(xù)以同樣的方式制造集成電路。該半導(dǎo)體路線圖是由早期晶體管的性能決定的，這意味著該行業(yè)不得不圍繞工程材料的局限性進(jìn)行。最可能的結(jié)果是，由于微電子產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)造力，石墨烯將不得不與硅共同相處。

    但也有各種其它正在開發(fā)的納米技術(shù)，范圍從自旋電子到有機(jī)晶體管等方面。因此“超越CMOS”是指的“以目前的CMOS技術(shù)為基礎(chǔ)來達(dá)到超越CMOS的目的。”

    歷史告訴我們，科技并不是線性發(fā)展的，而且完全拋棄現(xiàn)有的CMOS將會是非常愚蠢的。到2025年，我們將有機(jī)會看到一些影響整個微電子產(chǎn)業(yè)的變化。