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石墨烯为半导体制造开辟新路径

更新时间  2022-02-28 01:53 阅读
本文摘要:2016年,全球半导体销售额超过最低,为3390亿美元。与此同时,半导体产业在芯片上的投放大约为72亿美元,作为微电子元件的基板,这些芯片可以用来制作晶体管、闪烁半导体和其他电子元器件。 在半导体销售额大大快速增长的2020-03-30 ,如何需要更佳的增加的随之而来的在半导体芯片方面的投放是未来被迫面临的问题。目前很多厂商和研究机构都在找寻新的方法。

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2016年,全球半导体销售额超过最低,为3390亿美元。与此同时,半导体产业在芯片上的投放大约为72亿美元,作为微电子元件的基板,这些芯片可以用来制作晶体管、闪烁半导体和其他电子元器件。

在半导体销售额大大快速增长的2020-03-30 ,如何需要更佳的增加的随之而来的在半导体芯片方面的投放是未来被迫面临的问题。目前很多厂商和研究机构都在找寻新的方法。

近日,由麻省理工学院的工程师研制的一种新技术,可以大大减少晶圆技术的投放,与传统的半导体工艺比起,这种技术需要使设备更为多元化和更高的性能。在《大自然》杂志上发布的这项新技术用于的是石墨烯材料——单原子层石墨——就如同拷贝机器一般需要将底层的材料性能读取顶层。什么是石墨烯材料石墨烯是一种二维晶体,人们少见的石墨是由一层层以蜂窝状有序排序的平面碳原子填充而构成的,石墨的层间作用力较强,很更容易相互挤压,构成薄薄的石墨片。

当把石墨片剥成单层之后,这种只有一个碳原子厚度的单层就是石墨烯。自从石墨烯在2003年被找到以来,研究者找到它具备出色的强度、导热性和导电性。最后一种性质使得这种材料非常适合用来制作电路中的微小接触点,但最理想是用石墨烯自己做成电子元件——尤其是晶体管。要做这点,石墨烯不仅必须当作导体,也要有半导体的功能,这是电子元件必须展开的通断转换操作者的关键。

半导体由其带上隙所定义的,带上隙所指的是唤起一个电子,让它从无法导电的价带光子到可以导电的导带所必须的能量。带上隙必需充足大,这样来使得晶体管开和关之间的状态才对比显著,这样它才能准确无误地处置信息。常规的石墨烯是没带隙的——它类似的波纹状价带和导带实质上是连在一起的,这使得它更加看起来金属。

尽管如此,科学家们企图分离这两个带上。通过把石墨烯生产成奇特的形状,如放射状,目前最低可以让带上隙超过100meV,但这对电子工程应用于来说还是太小了。

相对于通过前端设计提高微结构来提升芯片性能,通过后末端设计来提高主频似乎更为非常简单蛮横,研发周期也更加较短(微结构研发一般要3年),更加合适商业推展。硅基材料集成电路主频越高,热量也随之提升,并最后撞到上功耗墙。目前硅基芯片最低的频率是在液氮环境下构建的8.4G,日常用于的桌面芯片主频基本在3G到4G,笔记本电脑为了掌控CPU功耗,主频广泛掌控在2G到3G之间。但如果用于石墨烯材料,那么结果就有可能有所不同了。

因为相对于现在广泛用于的硅基材料,石墨烯在室温下享有10倍的高载流子迁移率,同时具备十分好的导热性能,芯片的主频理论上可以超过300G,并且有比硅基芯片更加较低的功耗——早于在几年前,IBM在实验室中的石墨烯场效应晶体管主频约155G。因此,在前端设计水平非常的情况下,用于石墨烯生产的芯片要比用于硅基材料的芯片性能强劲几十倍,随着技术发展,更进一步挖掘潜力,性能可能会是传统硅基芯片的上百倍!同时还享有更加较低的功耗。石墨烯在半导体领域的应用于作为新兴材料,石墨烯能普遍应用于燃料电池、材料改性、防水减震、海水淡化、军事工业等多个领域,这早已是业界共识。

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事实上,由于在未知材料中电阻率大于、导电系数最低,所以石墨烯被指出是最理想的电极和半导体材料,其最佳、最不具潜力的应用于是沦为“硅”的替代品,用来生产超强微型晶体管,生产未来的超级计算机。众所周知,过去几十年,硅完全是生产芯片的唯一自由选择,以硅为材料的各类型芯片在制程工艺上将要超过了物理无限大(7纳米),这很大的容许了各类计算出来芯片处置性能的提高。

然而,科技总有一天是在变革的,石墨烯的问世也许能有效地的解决问题硅基材料的物理无限大问题。那么,石墨烯在电极和半导体领域到底能做到哪些事情呢?1、光电半导体产品。以其十分好的透光性、导电性和可倾斜性,在触摸屏、可穿着设备、OLED等领域中发挥作用。这也是目前普遍认为最有可能首先构建商业化的领域。

2、生产传感器。石墨烯因其独有的二维结构,且具备体积小、表面积大、灵敏度低、响应时间短等特点,能提高传感器的各项性能。随着物联网和和可穿着技术的大大发展,未来对传感器的市场需求将不会更加低,坚信石墨烯需要扮演着不俗的角色。

3、微电子器件。由于物理无限大的容许,石墨烯在未来的晶圆、计算出来芯片以及各类型的微电子器件中都能担任大任,并充分发挥其独有的性能。

举例来说,目前主流的4G系统基站虽然早已使用了负责管理基带处置的BBU+负责管理射频的RRU通过光纤拉远的架构,但由于机房站址资源日益匮乏和低成本,将BBU集中于设置以节省机房的市场需求更加反感,同时也拒绝对基带资源共享、集中于调度等功能的构建。由于基带信号对比特率和各项处置资源的消耗相当大,现有芯片和背板处理速度根本无法构建更加大规模的基带资源集中于调度和分享,同时在风扇、功耗等方面也面对相当大挑战。若使用石墨烯材料,不但芯片处置能力、数据交换速率能获得大幅度提高,石墨烯较好的导电、导电和耐温特性也使得在风扇、功耗方面的拒绝减少,进而构建处置能力超过上万载频的集中式基带资源池。

目前,不少研究机构和企业早已开始将石墨烯技术应用于到半导体领域了。诸如,新加坡南洋理工大学研发的敏感度是普通传感器1000倍的石墨烯光传感器;美国哥伦比亚大学研发出有的石墨烯-硅光电混合芯片;IBM研究人员研发出有的石墨烯场效应晶体管等等,都为石墨烯在半导体领域的应用于说明了方向。


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