碳基芯片新突破,我国8寸石墨烯晶圆有望量产,性能将提升10倍

人类最伟大的发明是什么?不是汽车和飞机,而是芯片;芯片的集成化程度越高,产品的体积就会越小,性能也会越来越强。但是硅基芯片发展到现在,受到硅材料本身的性能限制,2nm或是其开发的极限。目前我们一直在寻找一种新材料的晶体管,用来代替硅基成为未来芯片的新材料,而被称为21世纪的神奇材料—“石墨烯”成为全球科学家们研究的对象。

在2020中国国际石墨烯创新大会上,我国就展示了以石墨烯为材料的8英寸石墨烯单晶晶圆,这是我国在高质量石墨烯材料研究领域的创新成果。并且该科研团队已经完成了小批量生产,标志着我国石墨烯晶圆无论在产品尺寸还是质量上都处于国际“领跑”水平。

什么是石墨烯晶圆

传统的晶圆是芯片生产中使用的硅晶片,主要原材料是沙子,沙子被提炼之后形成超高纯度的多晶硅,然后通过熔炼、加入籽晶等方式后被拉成单晶硅锭,最后再通过打磨、切割后形成晶圆;芯片中的上百亿颗晶体管就是在上面通过溶解、刻蚀的一系列先进的生产工艺后制作而成的,目前国内主要使用的晶圆大小一般为8寸和12寸。

石墨烯晶圆的制作方法有所不同,其采用是通过在衬底上制备石墨烯的方法,将半导体或绝缘材料作为衬底,用来支撑晶圆上的器件,并且保证他们互不导通。目前生产技术比较成熟的是在Cu、Cu/Ni等金属衬底上生产石墨烯的工艺,该工艺均可以得到结晶质量好的满单层石墨烯。当然,由于金属上生长的石墨烯在进行后续的应用中不可避免的需要将其从金属衬底转移到目标衬底,在此过程中会带来破损、褶皱、界面污染、金属残留等问题,而在非金属基绝缘晶圆衬底表面直接生长石墨烯,可以得到覆盖度100%、无需转移、无金属残留的石墨烯晶圆,产品的良率更高。

目前石墨烯晶圆的生产方式种类也有很多,科学家们也在寻找一种能够批量化生产的技术,北京大学、北京石墨烯研究院的刘忠范与孙靖宇教授在对非金属基石墨烯晶圆CVD制备的研究上,发明了一种基于传热和气体流动性质原理的石墨烯晶圆批量化制备方法,每一批次可以生产出30片4英寸的石墨烯晶圆。而这种方法也可以用在其他非金属衬底上面,为我国未来石墨烯晶圆批量化提供了一种经济化生产的新途径。

石墨烯晶体管

晶圆想要做成芯片,就需要在上面搭建出半导体晶体管,根据上海集成电路研发中心有限公司一项“石墨烯FinFET晶体管及其制造方法”的专利(公布号:CN107256887A )是这样介绍的:

石墨烯晶体管的制作方法需要在石墨烯晶圆的石墨烯Fin薄膜上,通过离子注入工艺对石墨烯Fin薄膜进行调整,形成沟道和源极、漏极,然后分别沉积栅介质、栅电极等层次,再通过沉积和平坦化键合介质(第一介质)来键合另外一衬底,接着去除金属衬底,实现将石墨烯Fin薄膜转移到带有图形的衬底上面应用于鳍式场效应晶体管中作为沟道材料,从而提高了晶体管的电学性能。

目前全球90%以上的集成电路发展都源于硅基CMOS技术,国际半导体技术线路图(ITRS)委员会首次明确指出在2020年左右硅基CMOS技术将达到其性能极限。石墨烯晶体管和碳纳米晶体管成为未来芯片的主要研究方向之一,这两者同样都是由碳元素晶体管构成,所以被人们称之为碳基芯片。

我国石墨烯晶圆的发展历史

我国每年的芯片需求量巨大,但由于制作设备和工艺的缺失,90%以上芯片依赖于进口,国产芯片自给率不足三成,据2015的数据统计,我国大陆芯片的产业进口花费高达2307亿美元,比原油进口总额高出1.7倍。为了弥补这种局面,除了在现有的芯片生产工艺中继续研究和突破,还需要在未来的芯片材料中开始研发。2009年由中科院上海微系统所组建的科研团队开始对石墨烯等碳基材料能否实现电子器件集成化的研究,该研究的目的主要是让石墨烯材料替代当前的硅基材料,让我们在下一代新材料芯片的研究道路上能够弯道超车。

中科院上海微系统所副研究员吴天如曾说过:“想要制作开启微电子技术变革,就必须制备出大尺寸、高质量的石墨烯单晶晶圆”。通过10多年的研究,在升级晶圆级石墨烯单晶的可控制备,从生长出单层,到单晶,再到原子级平整的大面积晶圆,中科院上海微系统团队终于让之前只能从用胶带剥离出几微米的石墨烯样品,升级成可规模生产的8英寸石墨烯晶圆。

除了石墨烯晶圆上面的突破,中科院院士彭练矛基于石墨烯碳基纳米管芯片的研究上也取得了突破,花费近20年的时间,该团队终于研究出一种新型的碳基半导体体,并且通过升级碳纳米管的提存工艺,使得碳纳米管纯度已经达到了99.99995%,而碳纳米晶体管的速度比普通的硅晶体管速度要快上10倍以上,但是功耗只有其十分之一,性能远超传统的硅基材料,并且已经具备批量生产的基础。

碳基芯片量产难在哪里?

目前来说,我国已经初步具备了碳基芯片规模化生产的能力,那为什么不让碳基芯片走出实验室代替硅基芯片使用呢,这里需要考虑的是制作工艺和集成度的问题,石墨烯碳纳米晶体管和硅晶体管工作方式一样,拥有场效应管的特性,只能执行开关(01)的二进制操作,只是材料的导电性能上面更加优越,所以也需要受到摩尔定律的限制,晶体管数量越多,性能越强。

而目前的碳基芯片还属于发展初期,晶体管大小和数量都不能和现在5nm硅基芯片的生产工艺相比,据了解,目前的碳基集成电路的性能只能处于Intel上世纪90年代左右的水平,碳基芯片性能想要达到目前的水准,至少还需要5-10年的发展。这需要在未来的生产和使用中慢慢磨合升级,并且随着碳基芯片的集成度越来越高,性能也会越来越强。

最后说一下

我国在碳基芯片领域的不断突破,也证实了未来碳基芯片发展的可能性,在新一代的芯片材料中,我国已处于领先地位。碳基材料的芯片也是世界各国争先发展研发的产品,我国科学家取得如此成就却属不易,在未来的芯片发展中,我国将迎来一个全新的发展机会。

本文源自头条号:小虎科技

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