半導體（tǐ）技術如（rú）何向前？石（shí）墨烯開（kāi）出一劑良藥

半導體技術如何向前？石墨烯（xī）開（kāi）出一劑良藥

2016年，全球半導體銷售額達到最高，為3390億（yì）美元。與此同時，半導體產業在芯片上的投入（rù）約為72億美元，作為微電子（zǐ）元件的基板，這些芯（xīn）片可以（yǐ）用來製（zhì）作（zuò）晶體（tǐ）管、發光半導體（tǐ）和其他電子元器件。


在半導體銷售（shòu）額不斷增長的今天，如何能夠更好的減少的隨之而來的在（zài）半導體芯片方麵的投入是未（wèi）來不得（dé）不麵（miàn）對（duì）的問題。目前很（hěn）多廠商和研究機構都在尋找新的（de）方（fāng）法。


近日，由麻省理工學院的工程師研製的一種（zhǒng）新技術，可以大大減少（shǎo）晶圓技術的投入，與傳統的半導體工藝相比，這種技術能（néng）夠使設備更加多元化和更高（gāo）的性能。


在《自然》雜誌（zhì）上公布的這項新技術使用的是石墨烯材料——單（dān）原子層石（shí）墨——就如同複製機器一般能夠（gòu）將底（dǐ）層的材料性能（néng）複製到頂層。


什麽是石墨烯材料
石墨烯是一種（zhǒng）二維晶體，人（rén）們常見的石墨是由一層層以蜂窩狀有序排列的平麵碳原子堆疊而（ér）形成的，石墨的（de）層間作用力較弱，很容易互相剝離（lí），形成薄薄的石墨（mò）片。當（dāng）把石墨片剝成單層之後，這種隻有一個碳原子厚度（dù）的單層就是石墨烯（xī）。


自（zì）從石墨烯在2003年被發現（xiàn）以來，研究者發現它具有（yǒu）優異的強度、導熱性和導電性。最後一種性質使得這種材料非常適合用來製作（zuò）電路中的微（wēi）小接觸點，但最理想是用石（shí）墨烯自己（jǐ）製成電子元件——特別是晶體管。


要做到這點，石墨烯不僅需要充（chōng）當（dāng）導體，也要有半導體的（de）功能，這是電（diàn）子（zǐ）元件需要進行的通斷切（qiē）換操作的關（guān）鍵。半導體由其帶隙所定義的，帶隙指的（de）是激發一個電子，讓它從不（bú）能導電的價帶躍遷到可以導電的導帶所需要的能（néng）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（bǐ）明顯，這樣它才能準（zhǔn）確無誤地處理信息。


常規的石墨烯是沒（méi）有（yǒu）帶隙的——它特殊的波紋狀價帶和導帶實際（jì）上（shàng）是連在一起的，這使得它（tā）更像是金屬。盡管如此，科學家們試（shì）圖（tú）分開這兩個帶。通過把石墨烯製造成奇特的形狀，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（lái）說還是太小（xiǎo）了。


相對（duì）於通過（guò）前（qián）端設計提（tí）升微結構（gòu）來提高芯片性能，通過後端設計來提升主頻顯然更加簡單粗暴，研發周期（qī）也更短(微結構研發一般要3年)，更（gèng）適合商業推廣。


矽基材料集成電路主頻（pín）越高，熱（rè）量也隨之提高（gāo），並最終撞上功耗牆。目前矽基芯片最（zuì）高的頻率是在液氮環境下實現的8.4G，日常（cháng）使用的桌麵芯片主頻基本在3G到（dào）4G，筆記本電腦為（wéi）了控製CPU功耗，主頻普遍控製在2G到3G之間。


但如（rú）果使（shǐ）用石墨烯材料，那麽結果就可能（néng）不同了。因（yīn）為相對於現在普遍使用的矽基材料，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（hǎo）的導熱性能，芯片的主頻理論上（shàng）可以達到300G，並且有比（bǐ）矽基芯片更低的功耗——早在幾（jǐ）年前（qián），IBM在實驗室中的石墨烯場效應晶體管主頻達155G。


因此，在前（qián）端設計水（shuǐ）平相（xiàng）當的（de）情況下，使（shǐ）用石（shí）墨烯（xī）製造的芯（xīn）片（piàn）要（yào）比使用矽基材料的芯片性能強幾十倍，隨（suí）著技術發展，進一步（bù）挖掘潛力，性能可能會是傳統矽基（jī）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，石墨烯能廣泛應用於燃料電池、材料改性、防（fáng）鏽防滑、海水淡化、軍事工業等多個領域，這已經是業（yè）界共識。事實上，由於在已知材料中電阻率最小、導（dǎo）熱係（xì）數（shù）最高，所以石墨烯被認（rèn）為是最（zuì）理想的（de）電極（jí）和半導體材料，其最佳、最具潛力的應用是成為“矽”的替（tì）代品（pǐn），用來製造超（chāo）微型晶體管，生產未來的超級計算（suàn）機。


眾所周知，過去幾十年，矽幾乎是（shì）製造（zào）芯（xīn）片（piàn）的唯一選擇，以矽為材料的各類型芯（xīn）片在（zài）製程工藝上快要達到了物理極限（7納（nà）米），這極大的限製了各（gè）類計算芯片處理性能的提升。然而，科技永（yǒng）遠是在進（jìn）步的，石墨烯的問世或許能有效的解決矽（guī）基材料的物理極限問題。那麽，石墨烯在電極和半導體領域究竟能做哪些（xiē）事（shì）情呢？


1、光電半導體產品。以其非常好的透光性、導電（diàn）性和可彎曲性，在觸摸屏、可（kě）穿戴設（shè）備、OLED等領（lǐng）域中發揮作用。這也是目前（qián）公認最可能首先實（shí）現商（shāng）業化的（de）領域。


2、製造傳感器。石墨烯因其獨特的二維結構，且具有體積小、表麵積大、靈敏度高、響應時（shí）間短等特點（diǎn），能提升傳感器的（de）各（gè）項（xiàng）性能。隨著（zhe）物聯網和和可穿戴技（jì）術（shù）的不斷發展，未來對傳感器的需求將會越來越高，相信石（shí）墨烯能夠扮演不錯的角色。


3、微電子器件。由於物理極限的限製，石墨烯在未來的晶圓、計算芯片以及（jí）各類型的微電（diàn）子器件中都能擔當大任，並發揮其獨（dú）特的性能。


舉例來說，目前主流（liú）的4G係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，但由於機房站址資源日益稀缺和高成本，將BBU集中設（shè）置以節省機房的需求越來越強烈（liè），同時也要求對基（jī）帶資源共享、集（jí）中調度等功能的實現。


由於基帶信號對帶（dài）寬和各項處理資（zī）源的消耗很大，現有芯片和背（bèi）板處理速度根本無（wú）法實現更大規（guī）模的基帶資源（yuán）集中調度和（hé）共享，同時在散熱、功耗（hào）等方麵也麵臨很大挑戰。


若采用石墨（mò）烯（xī）材（cái）料，不（bú）但（dàn）芯片處理能力、數據交換速率（lǜ）能得到大幅提（tí）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（fāng）麵的要求（qiú）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（jī）構和企業已經開始將石墨烯技術應用到半導體（tǐ）領（lǐng）域（yù）了。諸如，新加坡南（nán）洋理工大學開發的敏感度（dù）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-矽光電混合芯片；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（xī）在半導體領（lǐng）域的應用指明了方向（xiàng）。

不一樣（yàng）的石墨烯應用技術
近年來，與石墨（mò）烯相關的研究和（hé）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（jì）術旗艦項目”之一，該項目的研究範圍十分廣泛，其中石墨烯的製（zhì）備是核心；韓國政府則投入研發費用14億美（měi）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（zhù）的石墨烯（xī）相關（guān）項目達到兩百多項；而日本學術振興機構（gòu）也從2007年起開始對石墨烯相關材料、器（qì）件技術進行資助（zhù）。


按照最新公布（bù）的技術，工程師已經精心設計了控（kòng）製程序，將單層的（de）石墨烯材料放在價格昂貴的晶圓上，然後在這些石墨烯層麵上生成半導體材料。


這些工程師發（fā）現（xiàn），石墨烯有非常良好（hǎo）的性能，使頂層的（de）材料（liào）性能完全複製到底層的晶體（tǐ），所印製的圖案完全不（bú）受石墨烯的影響。


石墨烯的（de）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（jī）械工程和材料科學的（de）課程上曾經表示，傳統的半導體生（shēng）成襯底，在生成半導體晶圓的時候，具有很強的粘（zhān）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（jǐ）乎是不（bú）可（kě）能（néng）的事情。


Kim表（biǎo）示：“最（zuì）終我們（men）不得不犧牲其中一層（céng），最終會黏著在設備上。”


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


“半導（dǎo）體行業現在已經矽晶（jīng）圓所束縛（fù），由於成本的原因，即使我（wǒ）們知道有很好的方法（fǎ）來提高性能，也無法將其用於商業。”Kim表示（shì），“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麵更（gèng）加自由。”


從電學特性到機械特性的轉變
自從（cóng）2004年發現（xiàn）石墨烯材料以來，研究人員一直致力於研究其電學（xué）特性，以期提高電子（zǐ）器件（jiàn）的性能，降低成（chéng）本。石墨烯是一種非常好的材料（liào），電流在流過石墨烯之（zhī）後幾（jǐ）乎（hū）沒有什麽損耗。


基於這個（gè）原因，研究人員一直致力於將石（shí）墨烯做成廉價、高性能的半導體的方法。


Kim表示，人們（men）希望我們能夠找到方法將石墨（mò）烯製作成真正的電（diàn）子設備，但是事實（shí）證明（míng），這（zhè）是一件非常困難的事情（qíng）。


事實上，阻止電（diàn）子流過石墨烯（xī）層是非（fēi）常困（kùn）難的，這種也行使（shǐ）得石墨烯能夠成為一種非常（cháng）好的導體，但（dàn）是做半導（dǎo）體（tǐ）性能就（jiù）很差。


Kim的團（tuán）隊采用了一種全新的方法，使得在半導（dǎo）體中使用石墨（mò）烯成為（wéi）現實。研究（jiū）人員轉變了思路，沒有過多的關注石墨烯的點（diǎn）穴特性，而是專注於研究石（shí）墨烯的機械特性。


“我們非常（cháng）有信心能夠在半導體中使用石墨（mò）烯材料，這是基於石墨烯（xī）良好的材料（liào）特性。”Kim表示。


“非常有（yǒu）趣（qù）的是（shì），石（shí）墨烯內部隻有很弱的範德華力，這意味著石墨（mò）烯在垂直方向上沒有很大的引力，所以石墨烯的表麵會很滑。”


石墨烯的複製與剝離
該團隊表示，超薄的石墨烯（xī）層（céng）能夠（gòu）擁有非（fēi）常好的特性，可以夾在襯（chèn）底和半導體層之間，為其提供一（yī）個幾乎難以（yǐ）察覺的表麵，允許半導體材料中的原子重新排列，形成（chéng）性能非常好的半導體材料。


這一方法一（yī）旦被采用，在石墨烯上印（yìn）製半導體材料之後，製造商能夠（gòu）很容易的將石墨烯（xī）材料剝離，這（zhè）一方法能夠極大的降低晶圓的損耗。


研究小組（zǔ）還發現，這一名為“遠程外延”的技術，能夠成功的複製和剝離來自（zì）另一半導體（tǐ）層（céng）的半導體特性。
研究人員已經成功的將這一方法應用於晶圓和半導體材料中，包括磷化銦，磷（lín）化镓等多（duō）種比矽還要昂貴（guì）的材料。


Kim表示，這項技術在理論上能夠是製造上無限次的重（chóng）複使（shǐ）用晶圓——從矽和半導（dǎo）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（xī）材料研究的先（xiān）驅（qū），哈佛大徐的物理學教（jiāo）授，Philip Kim在談到這一技術時表（biǎo）示，即便他並沒有參加這一研究小組。“這一技術能夠（gòu）很容易（yì）的整（zhěng）合到現有的半導體製造（zào）過程（chéng）中去，並能夠徹底的改變半（bàn）導體異（yì）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（wèi）來（lái）
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（zhǎn）進程。一（yī）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（qǔ）。Kim表示，使用這一（yī）技術（shù），像太陽（yáng）能和（hé）LED這樣的（de）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（wān）曲（qǔ）、可折疊智能手機的設計工（gōng）作，像 LG 甚至（zhì）是國產 OPPO 也都已經開始探（tàn）索（suǒ）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 係（xì）列，主要得（dé）益於（yú）自家技術的柔性 OLED 顯示屏幕。


事實（shí）上並非如此，一款真正（zhèng）可彎曲或可折疊的（de）智能（néng）手機，除了柔（róu）性屏幕之外還有很多技術問題需要（yào）解決，尤其是內部組（zǔ）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（shù）角（jiǎo）度上來說，實現柔性內部組件可能要等待很長一段時間，但（dàn）確實已（yǐ）經有這方麵的研發成（chéng）果了。


事實上，該研（yán）究小組（zǔ）已經在麻省理工學院使用這一技術製造了一個柔性LED顯示屏，來演示這一技術（shù）的可行性。
“想象（xiàng）一下，如果你想在自己的汽車中安裝太陽能（néng）電池，但是（shì）現在的技術很難在汽車（chē）中安裝彎曲（qǔ）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（shù）可以在（zài）汽車上做塗層（céng）或者是整合到衣服中去。”
未來，研究人員技術用（yòng）這（zhè）一技術設計“母片”，然後在這些母片上製作各種材（cái）料。


利用石墨烯材料（liào），研究團隊希望能夠製造出更（gèng）多高性能的設備。目前，他們還在研（yán）究將這一技術應用到半導體設備和複合結構中去。


“現在，使用特殊的材料成為一種（zhǒng）趨勢。”Kim表示，“以後，再也不需要擔心芯（xīn）片的成本（běn）了。使用這一技術（shù），在母片上生成半（bàn）導體（tǐ）設備，然後剝離之（zhī）後重新（xīn）使用，極大的降低了（le）成本。”


目前這一技術有麻（má）省理工學院和LG電子研究（jiū）中心合作的項目進行（háng）支持。


由於石墨（mò）烯在散熱、導（dǎo）電、透光等方麵性能優良，並且韌性好、結構穩定，所（suǒ）以自發現以來得到了快（kuài）速（sù）發展，其產業形態基本形成。有分析認為，到2020年全球石墨（mò）烯產業產值有望達到2.78億美元，這顯示其市（shì）場前景十（shí）分（fèn）廣闊。


中國（guó）石墨烯製造處於世界領先地位
石墨烯在中國落地（dì）已六年有餘，有關石墨烯的身份角色及應（yīng）用場景的爭議（yì）從未停止過。


也（yě）許有人會說這麽好的東（dōng）西，那價格鐵定死貴啊，我等老百姓何時（shí）才能用上啊……


其實石墨烯（xī）一點也不（bú）貴，因為全球第一條（tiáo）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（yǒu）限公司和重慶墨希科技有限公司先後建（jiàn）成年產300噸石墨烯生產線和年產（chǎn）100萬（wàn）平米的生產能力（lì）的石墨烯（xī）薄膜生產線，並將石墨烯的製造成本從每克（kè）5000元降至每克3元。


2015年年初，浙大教授高超成功研發了（le）一種新型、廉價（jià）、無（wú）毒的鐵係氧化劑，使（shǐ）石墨烯（xī）製備過（guò）程（chéng）快、成本（běn）低、無汙（wū）染，適用於工業化大規模製備。《自然—通訊》審稿人對該技術的評價是“該方法對石墨烯未（wèi）來的進一步應用具有重要意（yì）義。”


在石墨烯（xī）的（de）應用上，中國（guó）研究人員也已（yǐ）拿出了有分量的成果。中科（kē）院重（chóng）慶綠色智能技術（shù）研（yán）究院成功（gōng）製備出國內首片15英寸的（de）單層石墨（mò）烯顯示屏（píng），該（gāi）項技術被應用於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（chóng）慶綠色智能技術研究院和中國科學院（yuàn）寧波材料（liào）技術與工程（chéng）研究所開發的石墨烯觸摸屏、電（diàn）池和導熱膜等新（xīn）材料後，手（shǒu）機觸控（kòng）屏幕不偏色（sè）不泛黃，色彩真實、純淨，通透性也比傳（chuán）統屏幕好，手機充電速率提高了（le）40%，電池壽命延長了50%，電池（chí）的能量密度（dù）也增（zēng）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（de）產業化水平處於（yú）國際領先地位。


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


石墨烯為半導體製造開（kāi）辟新路徑
目前（qián）國內約有400多家經營石墨烯業務的企業，將石墨烯作為主（zhǔ）營業務（wù）的約70家，多呈小型、初創等（děng）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（shù）量（liàng）約（yuē）50家，後者約10家。


“中國的石墨烯產業發展主要依托於民營（yíng）企業（yè）、中小企（qǐ）業以（yǐ）及上市公司的投入，主（zhǔ）要目的是為了解決現階段（duàn）產業提升轉型。”中國石（shí）墨烯產業技術創新戰（zhàn）略聯（lián）盟秘書長李義春向（xiàng）界麵新聞記者指出，國內的石墨烯產品多為針對兩三（sān）年以內可以形成產業的應用。


“例如將石墨烯添加到現有（yǒu）材（cái）料裏提升其性能。”他說（shuō），“石墨烯的高端應用需要大（dà）量資金（jīn）投入（rù），三五年後才可能形成產業（yè）應用，民營企業很難（nán）有實（shí）力去進行布局。”


石墨烯民（mín）用產品開發成（chéng）為主流，是中國石墨烯行業現階段的特點之一。該類產品直（zhí）接麵（miàn）向（xiàng）個人消費者，產品的市場驗證時（shí）間不長；工業類產品因為下遊（yóu）客戶對材料（liào）的應用需要很多工程化的驗（yàn）證，則需要相對較長的驗（yàn）證時（shí）間，所以目（mù）前（qián）市場占比並不大。


低端化為主（zhǔ），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、塗（tú）料、加（jiā）熱片、移動電源、保健用（yòng）品等產品，多將（jiāng）石墨（mò）烯粉體添加至各類產品中改善性能，應用領（lǐng）域極廣。但因用量較（jiào）少且不發揮主要作用，石墨烯（xī）隻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（yīng）用形態和方式還會有很多。雖然石墨烯（xī）大規模產業化應用還沒開始，但在各國政府和企（qǐ）業大（dà）量資（zī）金、人力、物力的投入下（xià），相信已（yǐ）經不遠了。


但是，中國目前推（tuī）出的石墨烯產品普遍呈低端化特點，還（hái）沒有發揮石墨烯的“真正能量”。中國市場要想將（jiāng）石墨烯材（cái）料用於芯片等高端應用領域還（hái）有很（hěn）長的路要（yào）走

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