半導體技術如何向前？石墨烯開出一劑良藥

半導體技術如何向前？石墨烯開出一劑良藥

2016年，全球半導體銷售額達到最高，為3390億美元。與此同時，半導體產業在芯片上的投入約為72億美元，作為微電子元件的基板，這些芯片可以用來制作晶體管、發光半導體和其他電子元器件。


在半導體銷售額不斷增長的今天，如何能夠更好的減少的隨之而來的在半導體芯片方面的投入是未來不得不面對的問題。目前很多廠商和研究機構都在尋找新的方法。


近日，由麻省理工學院的工程師研制的一種新技術，可以大大減少晶圓技術的投入，與傳統的半導體工藝相比，這種技術能夠使設備更加多元化和更高的性能。


在《自然》雜志上公布的這項新技術使用的是石墨烯材料——單原子層石墨——就如同復制機器一般能夠將底層的材料性能復制到頂層。


什么是石墨烯材料
石墨烯是一種二維晶體，人們常見的石墨是由一層層以蜂窩狀有序排列的平面碳原子堆疊而形成的，石墨的層間作用力較弱，很容易互相剝離，形成薄薄的石墨片。當把石墨片剝成單層之后，這種只有一個碳原子厚度的單層就是石墨烯。


自從石墨烯在2003年被發現以來，研究者發現它具有優異的強度、導熱性和導電性。最后一種性質使得這種材料非常適合用來制作電路中的微小接觸點，但最理想是用石墨烯自己制成電子元件——特別是晶體管。


要做到這點，石墨烯不僅需要充當導體，也要有半導體的功能，這是電子元件需要進行的通斷切換操作的關鍵。半導體由其帶隙所定義的，帶隙指的是激發一個電子，讓它從不能導電的價帶躍遷到可以導電的導帶所需要的能量。帶隙必須足夠大，這樣來使得晶體管開和關之間的狀態才對比明顯，這樣它才能準確無誤地處理信息。


常規的石墨烯是沒有帶隙的——它特殊的波紋狀價帶和導帶實際上是連在一起的，這使得它更像是金屬。盡管如此，科學家們試圖分開這兩個帶。通過把石墨烯制造成奇特的形狀，如帶狀，目前最高可以讓帶隙達到100meV，但這對電子工程應用來說還是太小了。


相對于通過前端設計提升微結構來提高芯片性能，通過后端設計來提升主頻顯然更加簡單粗暴，研發周期也更短(微結構研發一般要3年)，更適合商業推廣。


硅基材料集成電路主頻越高，熱量也隨之提高，并最終撞上功耗墻。目前硅基芯片最高的頻率是在液氮環境下實現的8.4G，日常使用的桌面芯片主頻基本在3G到4G，筆記本電腦為了控制CPU功耗，主頻普遍控制在2G到3G之間。


但如果使用石墨烯材料，那么結果就可能不同了。因為相對于現在普遍使用的硅基材料，石墨烯在室溫下擁有10倍的高載流子遷移率，同時具有非常好的導熱性能，芯片的主頻理論上可以達到300G，并且有比硅基芯片更低的功耗——早在幾年前，IBM在實驗室中的石墨烯場效應晶體管主頻達155G。


因此，在前端設計水平相當的情況下，使用石墨烯制造的芯片要比使用硅基材料的芯片性能強幾十倍，隨著技術發展，進一步挖掘潛力，性能可能會是傳統硅基芯片的上百倍！同時還擁有更低的功耗。


石墨烯在半導體領域的應用
作為新興材料，石墨烯能廣泛應用于燃料電池、材料改性、防銹防滑、海水淡化、軍事工業等多個領域，這已經是業界共識。事實上，由于在已知材料中電阻率最小、導熱系數最高，所以石墨烯被認為是最理想的電極和半導體材料，其最佳、最具潛力的應用是成為“硅”的替代品，用來制造超微型晶體管，生產未來的超級計算機。


眾所周知，過去幾十年，硅幾乎是制造芯片的唯一選擇，以硅為材料的各類型芯片在制程工藝上快要達到了物理極限（7納米），這極大的限制了各類計算芯片處理性能的提升。然而，科技永遠是在進步的，石墨烯的問世或許能有效的解決硅基材料的物理極限問題。那么，石墨烯在電極和半導體領域究竟能做哪些事情呢？


1、光電半導體產品。以其非常好的透光性、導電性和可彎曲性，在觸摸屏、可穿戴設備、OLED等領域中發揮作用。這也是目前公認最可能首先實現商業化的領域。


2、制造傳感器。石墨烯因其獨特的二維結構，且具有體積小、表面積大、靈敏度高、響應時間短等特點，能提升傳感器的各項性能。隨著物聯網和和可穿戴技術的不斷發展，未來對傳感器的需求將會越來越高，相信石墨烯能夠扮演不錯的角色。


3、微電子器件。由于物理極限的限制，石墨烯在未來的晶圓、計算芯片以及各類型的微電子器件中都能擔當大任，并發揮其獨特的性能。


舉例來說，目前主流的4G系統基站雖然已經采用了負責基帶處理的BBU+負責射頻的RRU通過光纖拉遠的架構，但由于機房站址資源日益稀缺和高成本，將BBU集中設置以節省機房的需求越來越強烈，同時也要求對基帶資源共享、集中調度等功能的實現。


由于基帶信號對帶寬和各項處理資源的消耗很大，現有芯片和背板處理速度根本無法實現更大規模的基帶資源集中調度和共享，同時在散熱、功耗等方面也面臨很大挑戰。


若采用石墨烯材料，不但芯片處理能力、數據交換速率能得到大幅提升，石墨烯良好的導熱、導電和耐溫特性也使得在散熱、功耗方面的要求降低，進而實現處理能力達到上萬載頻的集中式基帶資源池。


目前，不少研究機構和企業已經開始將石墨烯技術應用到半導體領域了。諸如，新加坡南洋理工大學開發的敏感度是普通傳感器1000倍的石墨烯光傳感器；美國哥倫比亞大學研發出的石墨烯-硅光電混合芯片；IBM研究人員開發出的石墨烯場效應晶體管等等，都為石墨烯在半導體領域的應用指明了方向。

不一樣的石墨烯應用技術
近年來，與石墨烯相關的研究和產業化正在持續升溫。


歐盟委員會在2013年將石墨烯列為“未來新興技術旗艦項目”之一，該項目的研究范圍十分廣泛，其中石墨烯的制備是核心；韓國政府則投入研發費用14億美元，把石墨烯材料及產品定為未來革新產業之一；從2006年開始，美國國家自然科學基金資助的石墨烯相關項目達到兩百多項；而日本學術振興機構也從2007年起開始對石墨烯相關材料、器件技術進行資助。


按照最新公布的技術，工程師已經精心設計了控制程序，將單層的石墨烯材料放在價格昂貴的晶圓上，然后在這些石墨烯層面上生成半導體材料。


這些工程師發現，石墨烯有非常良好的性能，使頂層的材料性能完全復制到底層的晶體，所印制的圖案完全不受石墨烯的影響。


石墨烯的性能也非常“平滑”，這使得石墨烯很能與其他材料融合，這樣工程師就能夠非常簡單的將頂層的晶圓從石墨烯上剝離。


Jeehwan Kim，在機械工程和材料科學的課程上曾經表示，傳統的半導體生成襯底，在生成半導體晶圓的時候，具有很強的粘性，這就是的，在不損害上下兩層晶圓的情況下將襯底剝離幾乎是不可能的事情。


Kim表示：“最終我們不得不犧牲其中一層，最終會黏著在設備上。”


隨著新技術的廠商，Kim認為，未來，制造商能夠使用石墨烯作為襯底，在襯底上生成晶圓。這種方法，除了可以節省晶圓的成本之外，也能夠為半導體材料開拓更多的機會。


“半導體行業現在已經硅晶圓所束縛，由于成本的原因，即使我們知道有很好的方法來提高性能，也無法將其用于商業。”Kim表示，“現在這種材料將能夠使我們在半導體的材料選擇和性能方面更加自由。”


從電學特性到機械特性的轉變
自從2004年發現石墨烯材料以來，研究人員一直致力于研究其電學特性，以期提高電子器件的性能，降低成本。石墨烯是一種非常好的材料，電流在流過石墨烯之后幾乎沒有什么損耗。


基于這個原因，研究人員一直致力于將石墨烯做成廉價、高性能的半導體的方法。


Kim表示，人們希望我們能夠找到方法將石墨烯制作成真正的電子設備，但是事實證明，這是一件非常困難的事情。


事實上，阻止電子流過石墨烯層是非常困難的，這種也行使得石墨烯能夠成為一種非常好的導體，但是做半導體性能就很差。


Kim的團隊采用了一種全新的方法，使得在半導體中使用石墨烯成為現實。研究人員轉變了思路，沒有過多的關注石墨烯的點穴特性，而是專注于研究石墨烯的機械特性。


“我們非常有信心能夠在半導體中使用石墨烯材料，這是基于石墨烯良好的材料特性。”Kim表示。


“非常有趣的是，石墨烯內部只有很弱的范德華力，這意味著石墨烯在垂直方向上沒有很大的引力，所以石墨烯的表面會很滑。”


石墨烯的復制與剝離
該團隊表示，超薄的石墨烯層能夠擁有非常好的特性，可以夾在襯底和半導體層之間，為其提供一個幾乎難以察覺的表面，允許半導體材料中的原子重新排列，形成性能非常好的半導體材料。


這一方法一旦被采用，在石墨烯上印制半導體材料之后，制造商能夠很容易的將石墨烯材料剝離，這一方法能夠極大的降低晶圓的損耗。


研究小組還發現，這一名為“遠程外延”的技術，能夠成功的復制和剝離來自另一半導體層的半導體特性。
研究人員已經成功的將這一方法應用于晶圓和半導體材料中，包括磷化銦，磷化鎵等多種比硅還要昂貴的材料。


Kim表示，這項技術在理論上能夠是制造上無限次的重復使用晶圓——從硅和半導體材料的角度。


“這是一種非常特別的石墨烯使用方法。”石墨烯材料研究的先驅，哈佛大徐的物理學教授，Philip Kim在談到這一技術時表示，即便他并沒有參加這一研究小組。“這一技術能夠很容易的整合到現有的半導體制造過程中去，并能夠徹底的改變半導體異質結構的生成方式，從而形成全新的電子元器件和光學器件。”

難以預估的未來
石墨烯的剝離技術也可能在未來改變柔性電子元器件的發展進程。一般來說，晶圓都是非常堅硬的，與這些晶圓整合在一起的設備也是同樣的難以任意彎曲。Kim表示，使用這一技術，像太陽能和LED這樣的半導體設備在未來都可能任意彎曲和扭轉。


眾所周知，三星已經開始了可彎曲、可折疊智能手機的設計工作，像 LG 甚至是國產 OPPO 也都已經開始探索柔性顯示屏。三星目前呼聲最高，被認為 2019 年就能夠發布折疊手機，該機型將會是 Galaxy X 系列，主要得益于自家技術的柔性 OLED 顯示屏幕。


事實上并非如此，一款真正可彎曲或可折疊的智能手機，除了柔性屏幕之外還有很多技術問題需要解決，尤其是內部組件，包括電池、電路和嵌入到主板上的各種元器件等等，這些東西也都要實現柔性可彎曲才算得上真正靈活多變。雖然從技術角度上來說，實現柔性內部組件可能要等待很長一段時間，但確實已經有這方面的研發成果了。


事實上，該研究小組已經在麻省理工學院使用這一技術制造了一個柔性LED顯示屏，來演示這一技術的可行性。
“想象一下，如果你想在自己的汽車中安裝太陽能電池，但是現在的技術很難在汽車中安裝彎曲的太陽能電池，這一技術使得這成為了可能。”Kim表示。“未來這一技術可以在汽車上做涂層或者是整合到衣服中去。”
未來，研究人員技術用這一技術設計“母片”，然后在這些母片上制作各種材料。


利用石墨烯材料，研究團隊希望能夠制造出更多高性能的設備。目前，他們還在研究將這一技術應用到半導體設備和復合結構中去。


“現在，使用特殊的材料成為一種趨勢。”Kim表示，“以后，再也不需要擔心芯片的成本了。使用這一技術，在母片上生成半導體設備，然后剝離之后重新使用，極大的降低了成本。”


目前這一技術有麻省理工學院和LG電子研究中心合作的項目進行支持。


由于石墨烯在散熱、導電、透光等方面性能優良，并且韌性好、結構穩定，所以自發現以來得到了快速發展，其產業形態基本形成。有分析認為，到2020年全球石墨烯產業產值有望達到2.78億美元，這顯示其市場前景十分廣闊。


中國石墨烯制造處于世界領先地位
石墨烯在中國落地已六年有余，有關石墨烯的身份角色及應用場景的爭議從未停止過。


也許有人會說這么好的東西，那價格鐵定死貴啊，我等老百姓何時才能用上啊……


其實石墨烯一點也不貴，因為全球第一條和第二條真正實現規模化、低成本、高品質的石墨烯生產線就在中國！在2013年底，寧波墨西科技有限公司和重慶墨希科技有限公司先后建成年產300噸石墨烯生產線和年產100萬平米的生產能力的石墨烯薄膜生產線，并將石墨烯的制造成本從每克5000元降至每克3元。


2015年年初，浙大教授高超成功研發了一種新型、廉價、無毒的鐵系氧化劑，使石墨烯制備過程快、成本低、無污染，適用于工業化大規模制備。《自然—通訊》審稿人對該技術的評價是“該方法對石墨烯未來的進一步應用具有重要意義。”


在石墨烯的應用上，中國研究人員也已拿出了有分量的成果。中科院重慶綠色智能技術研究院成功制備出國內首片15英寸的單層石墨烯顯示屏，該項技術被應用于今年上市的一款名為“開拓者α”的手機，該手機在采用由中國科學院重慶綠色智能技術研究院和中國科學院寧波材料技術與工程研究所開發的石墨烯觸摸屏、電池和導熱膜等新材料后，手機觸控屏幕不偏色不泛黃，色彩真實、純凈，通透性也比傳統屏幕好，手機充電速率提高了40%，電池壽命延長了50%，電池的能量密度也增加10%。


石墨烯的發現者安德烈·海姆曾公開表示，中國石墨烯的產業化水平處于國際領先地位。


從專利申請數量這一指標來看，中國石墨烯產業技術創新戰略聯盟的統計數據顯示，2015年中國石墨烯相關專利受理數量為7522件，居全球首位，美、韓緊隨其后。


石墨烯為半導體制造開辟新路徑
目前國內約有400多家經營石墨烯業務的企業，將石墨烯作為主營業務的約70家，多呈小型、初創等特點。按經營業務劃分，還可進一步分為粉材企業和膜材企業，前者數量約50家，后者約10家。


“中國的石墨烯產業發展主要依托于民營企業、中小企業以及上市公司的投入，主要目的是為了解決現階段產業提升轉型。”中國石墨烯產業技術創新戰略聯盟秘書長李義春向界面新聞記者指出，國內的石墨烯產品多為針對兩三年以內可以形成產業的應用。


“例如將石墨烯添加到現有材料里提升其性能。”他說，“石墨烯的高端應用需要大量資金投入，三五年后才可能形成產業應用，民營企業很難有實力去進行布局。”


石墨烯民用產品開發成為主流，是中國石墨烯行業現階段的特點之一。該類產品直接面向個人消費者，產品的市場驗證時間不長；工業類產品因為下游客戶對材料的應用需要很多工程化的驗證，則需要相對較長的驗證時間，所以目前市場占比并不大。


低端化為主，中國應用仍需努力
在2014-2016年間，國內企業相繼推出了石墨烯內衣褲、U形枕、輪胎、涂料、加熱片、移動電源、保健用品等產品，多將石墨烯粉體添加至各類產品中改善性能，應用領域極廣。但因用量較少且不發揮主要作用，石墨烯只能作為輔助材料使用，由此獲得了“工業味精”的稱號。


隨著技術的不斷成熟和進步，石墨烯在半導體領域的應用形態和方式還會有很多。雖然石墨烯大規模產業化應用還沒開始，但在各國政府和企業大量資金、人力、物力的投入下，相信已經不遠了。


但是，中國目前推出的石墨烯產品普遍呈低端化特點，還沒有發揮石墨烯的“真正能量”。中國市場要想將石墨烯材料用于芯片等高端應用領域還有很長的路要走

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