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石墨烯在半導體領域中的應用形式

發布時間:2019-10-8 18:00:29      閱讀197

  一直以來,硅都是半導體產品的最重要材料。不過隨著制程微縮的不斷推進,以硅為原料的芯片已經接近物理極限,半導體芯片的未來要如何發展備受關注。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。
  石墨烯作為半島體材料使用
  要說石墨烯最具野心的應用即是這里,如同在《甄嬛傳》中演甄嬛一樣,在半導體領域中做半導體,是石墨烯的終極應用。在過去50年中,硅一直是半導體產品中最重要的材料。不過隨著制程微縮的不斷推進,以硅為原料的芯片已經接近物理極限,半導體芯片的未來要如何發展備受關注。
  石墨烯的能隙
  石墨烯做半導體材料使用,首先必須具有能隙。結構完整的本征石墨烯的帶隙為零,呈現金屬性。本征石墨烯零帶隙特征限制了其在半導體領域的深入應用。石墨烯良好的導電性和帶隙始終無法兼得是一直以來的難題。關于石墨烯科學研究,其中之一的宏偉目標就是找出一種方法,既可以保持石墨烯的所有優點如優良的導電性,但同時又能產生一個帶隙- 一個電子開關(只能開不能關),過去對石墨烯進行修飾以產生這種帶隙的方法降低了石墨烯固有的良好性能,所以不太實用。
  目前,大量研究結果顯示,存在能夠改變石墨烯帶隙的技術途徑,如光刻法、邊緣修飾、引入外加電壓、參雜異質元素、氫化石墨烯以及在不同基體上外延生長石墨烯等方法。
  之前做過一篇粗略匯總——《關于石墨烯做半導體使用時的能隙問題——研究從未停止》
  石墨烯薄膜的制備
  其次,石墨烯具有能隙之后,如何生長無缺陷的單晶石墨烯薄膜是要面臨的第二個問題,即使不做半導體材料使用,石墨烯要想在高端電子器件中得到廣泛使用,也必須能夠生長出高質量的石墨烯薄膜,國內目前石墨烯單晶薄膜生長部分進展:
  (1)生長溫度
  單晶石墨烯晶圓的生長一般需要1000℃或更高的溫度,容易產生褶皺、污染,不但產生較高的能耗,也容易導致石墨烯性能降低。中國科學院上海微系統與信息技術研究所謝曉明領導的石墨烯研究團隊首次在較低溫度(750℃)條件下采用化學氣相沉積外延成功制備6英寸無褶皺高質量石墨烯單晶晶圓。成功將外延生長石墨烯單晶的生長溫度從1000℃ 成功降低到750℃。單晶石墨烯晶圓的批量化制備是石墨烯在電子學領域規模化應用的前提,低溫外延制備晶圓級石墨烯單晶對于推動石墨烯在電子學領域的應用具有重要意義。
  (2)規模化制備
  19年5月,彭海琳教授、劉忠范院士聯合團隊循著外延襯底制備-石墨烯外延生長這一研究思路,首先制備了4英寸CuNi(111)銅鎳合金單晶薄膜,并以其為生長基底實現了4英寸石墨烯單晶晶圓的超快速制備。同時,該團隊與合作者自主研發了石墨烯單晶晶圓批量制備裝備,實現了單批次25片4英寸石墨烯單晶晶圓的制備,設備年產能可達1萬片,在世界范圍內率先實現了石墨烯單晶晶圓的可規模化制備。
  石墨烯薄膜的無損轉移
  采用CVD法生長石墨烯大多以過渡金屬微生長基底,借助其較高的化學催化活性,促進碳源裂解并在金屬表面吸附、擴散、成核、生長形成石墨烯。通過調控生長過程中的參數,可以實現大面積、層數可控、高質量且結構均一連續的石墨烯薄膜,經過工藝優化,可實現超大面積石墨烯單晶生長。但是,在實際應用中,金屬表面形成的石墨烯一般需要轉移至介電層上,所以石墨烯薄膜的無損轉移一直都有研究投入。
  19年5月份,南科大材料系蔡念鐸利用樟腦實現了CVD法石墨烯薄膜的簡便高效、大面積的高質量轉移。樟腦與石墨烯表面吸附能較小,作為輔助轉移層時可以僅通過室溫下干燥升華、低溫短時間退火或無水乙醇試劑清洗即被完全除去。避免了傳統轉移方法中去除轉移支撐層所使用的有機試劑長時間浸泡和高溫退火等操作,減少了對石墨烯薄膜的品質損壞,并擴展了石墨烯在諸多柔性基底上的應用。
  直接在目標基底上進行石墨烯的生長
  雖然石墨烯在金屬表面上的CVD生長得到了很好的發展,但后續轉移過程是目前器件性能的主要限制過程。另外,在轉移期間處理石墨烯層會引入機械損傷,這也會降低器件性能,甚至可能導致器件完全失效。
  因此,在目標襯底如硅基襯底上直接生長石墨烯的研究也在同步進行著,自2014年起,在國家自然科學基金重大項目“介電襯底上高質量大面積石墨烯信息器件的構筑與特性研究”支持下,中國科學家瞄準領域研究前沿,針對石墨烯信息器件的一些關鍵基礎問題,開展新概念、新方法和新技術的研究,在石墨烯信息器件的重大科學問題上取得了一系列進展。
  研究人員在國際上首次提出并利用“插層法”實現原位、無損地將Si、Ge、Mg、Hf等幾種材料插入石墨烯與金屬的界面之間,并對插層結構進行原位氧化,最終獲得高絕緣性的介電插層,實現了介電襯底上高質量、大面積的石墨烯材料生長。同時,通過石墨烯量子器件的加工印證了介電插層的有效性,引起了國際同行的關注與好評。
  此外,研究人員還采用非金屬催化的CVD方法,在多種絕緣基底上實現了微米尺度石墨烯單晶的直接生長和可控制備,獲得大面積均勻的單層石墨烯膜,薄膜尺寸達3英寸。
  石墨烯在目標襯底如硅基襯底上的直接生長優勢:
  (1)省卻石墨烯轉移步驟,避免了轉移過程對石墨烯薄膜造成的污染及損傷;
  (2)可與現在的硅工藝兼容從而便于實現大規模量產。
  石墨烯在半導體生線中的其他應用形式
  取代銅做互連線
  2015年,國際半導體技術路線圖(ITRS)預測,基于通孔的銅互連將無法再平面連接硅材料,或將一層布線連接到另一層布線。但ITRS的預測并不總是如期發生,基于通孔的銅互連依舊在起作用。不過,研究人員認為,現在考慮未來的替代物質或接下來怎么做已經不早了。
  目前銅互連的最小線寬在26-30納米左右。一旦銅線寬縮小到20納米或15納米就可能出現嚴重問題。石墨烯互連在線寬方面非常具有優勢。
  散熱及電磁屏蔽
  隨著電子芯片性能的提升和尺寸的微型化,芯片呈現出越來越高的熱流密度。據預測,芯片的平均熱流密度將達到500W/cm2,局部熱點熱流密度將會超過1000W/cm,而傳統風冷散熱已經達到極限(<1W/cm2)。而芯片溫度的控制至關重要,對于穩定持續工作的電子芯片,最高溫度不能超過85℃,溫度過高會導致芯片損壞,研究表明,在70~80℃內,單個電子元件的溫度每升高10℃,系統可靠性降低50%。據統計,有超過55%的電子設備失效形式都是溫度過高引起的。因此,為保證芯片工作的可靠性和穩定性,尋找新型高效的散熱材料成為迫切需求。
  2014 年,班濤等在三維芯片中增加一個石墨烯層解決散熱問題,加入石墨烯導熱層后,峰值溫度有了較好的改善,石墨烯層能夠提供良好的散熱通道,將熱量快速分散開。同年,美國的高斯公司申請制備具有石墨烯屏蔽效應的3D 集成電路的專利,石墨烯層作為3D 集成電路相鄰層級或者相鄰層之間的電磁干擾屏蔽體,可減少在層級之間的串擾,同時向周圍傳遞熱量。
  較新穎獨特的應用:“石墨烯復印機”技術
  麻省理工學院的Jeehwan Kim教授團隊通過將單層石墨烯放在晶圓上,然后在石墨烯上生長半導體材料。他們發現在石墨烯足夠薄的情況下,當復印底層晶圓上的圖形時,并不受中間層石墨烯的影響。石墨烯相當“滑”,不容易與其它材料粘附在一起,能夠很容易地將被印有圖形的半導體層從晶圓上剝離開來。
  在傳統的方法中,幾乎不可避免的要犧牲晶圓,這種新技術使用石墨烯作為中間層,使得晶圓上的圖形能夠被復制和粘貼,從而使被圖形化的晶圓能夠利用很多次。因此,這不僅能顯著降低晶圓成本,也能顯著降低分離過程中的損害。目前半導體工業界一直堅持使用硅材料,雖然已經知道存在性能更好的半導體材料,但是由于成本問題,目前還難以大規模地使用它們。這種新技術為我們選擇其它半導體材料提供了更大的機會,因為其顯著降低了成本問題的限制。
  總結
  石墨烯在半導體領域的應用取得了許多突破與進展,但以目前的技術取代硅或者實現大規模應用還有很大差距,硅最大的優勢是技術成熟,獲取方便,價格低廉,而半導體領域中的石墨烯只能用CVD法制備,價格昂貴,成品率低,如何實現石墨烯規模化生產是個亟待解決的問題;石墨烯作為一種2D 平面材料,有較嚴重量子效應,邊緣態和晶態均很大程度影響電子結構和電性質。此外,需要深入研究石墨烯的導電性,使石墨烯集成電路有更優異的性能。
  文章來源:Carbontech

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