石墨烯硅烯在微电子领域的现状与趋势

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  石墨烯作为电子产品的基体已经引起了许多大公司的注意,例如IBM和三星,这主要是由于其电子迁移率-理论上高达200000cm2/Vs,而硅只有1400cm2/Vs,锑化铟有77000cm2/Vs,这意味着超高速的电子迁移方式。然而这个数字只是理论上的,现实中我们还有很长一段距离要走。但是这将可能使电子设备的速度提高将近1000倍,这是一个从千兆到太赫兹的跳跃,难怪人们对此非常期待。

石墨烯的“阿喀琉斯之踵”

  在“石墨烯路线图”(由曼彻斯特大学诺贝尔奖得主与来自德州仪器、三星和其他研究所的研究人员共同撰写的论文)中对这种乐观情绪有一个警告:

  “由于石墨烯没有带隙,因此在下一个十年内石墨烯这种材料应用于高性能集成逻辑电路的希望不大。”

  换句话说,其开/关比不佳。开/关比是指装置被接通和断开时的导电性之间的差异。如果该比例太低,即便是已经关闭了,晶体管还是会导通电子。具有大量晶体管的设备会因此而损失大量的能量,从而仅仅成为一个加热器。这一点限制了石墨烯应用于具有逻辑单元的装置中。

  然而,由于其在微电子方面成功后的潜在收益是如此之大,带隙问题并没有阻止世界大型电子公司研发石墨烯为基础的电子设备,三星和IBM在这个领域则是非常活跃。

IBM vs 三星 孰强孰弱?

  IBM公司声称已建立世界上最先进的基于石墨烯的芯片,比其他石墨烯片优越近10000倍-表明之前的尝试并不是非常完美。从CMOS制造的角度来看,石墨烯并不是一种绝佳的材料。它相当脆弱,因此当你在近一个原子层厚进行沉积和蚀刻其他材料时,石墨烯很容易损坏。因此,虽然通过沉积石墨烯来制造晶体管的石墨烯通道是可能的,但是所有的后续处理步骤有可能会将其损坏,最终使其没有优势。

  IBM的突破性思想是最后沉积石墨烯。相比于原位沉积,他们倾向于通过化学气相沉积法在铜箔上生长石墨烯,然后将铜箔溶解,留下一层可由晶片“铲起”的石墨烯。这似乎很难和通常用在半导体工业中的制造过程相关联,并有报道说这样制备的石墨烯质量差,而且处置铜箔的方式相当浪费和昂贵。

  三星采用的不同的方式,即在硅晶片上生长高质量的单晶石墨技术,被称为石墨烯研究历史上最显著的突破之一。和IBM公司的方法一样,这种技术制备的石墨烯片可用于微电子。由于电阻偏高,制造可行的设备似乎有些遥远,但是目前三星似乎更关心设备和屏幕的灵活性。

  除了晶体管,石墨烯对电子的高传导性可以被更广泛地应用于其他即集成电路中,例如作为导体,可以使CMOS电路更便宜,更高效。

硅烯是石墨烯的挑战者吗?

  当我们致力于解决石墨烯带隙问题时,另一个二维挑战者-硅烯已经出现。最近报道了第一个硅烯晶体管,和石墨烯不同,硅烯这种材料具有一个带隙,虽然很多CMOS的工程师对此都很怀疑。

  硅烯的另一个潜在优势就是半导体产业在过去60年对硅而不是碳已经非常了解。至少在理论上,这应该意味着所需要的工艺变化不那么激烈。虽然这一切看起来都很乐观,但是和石墨烯相比,硅烯的生产和处理过程绝对是噩梦。

  如果将硅烯置于两维材料层之间以便保护它是可行的,但是这将需要开发新的生产工艺。其他新的二维材料,例如锗也面临相同的问题。

二维材料两马相争或者是一枝独秀?

  石墨烯及其挑战者在微电子方面的应用问题,使得在短期内看到这些反应更加快速的设备是不可能的。国际半导体技术蓝图(ITRS)认为在2020年以前不会看到不能用硅解决的方案,因此石墨烯微电子器件的发展将是一个长期的过程。根据正在进行的研究的数量,我将赌注下在二维材料的组合上。

  但上述所有的先决条件是,我们继续以同样的方式制造集成电路。该半导体路线图是由早期晶体管的性能决定的,这意味着该行业不得不围绕工程材料的局限性进行。最可能的结果是,由于微电子产业的创造力,石墨烯将不得不与硅共同相处。

  但也有各种其它正在开发的纳米技术,范围从自旋电子到有机晶体管等方面。因此“超越CMOS”是指的“以目前的CMOS技术为基础来达到超越CMOS的目的。”

  历史告诉我们,科技并不是线性发展的,而且完全抛弃现有的CMOS将会是非常愚蠢的。到2025年,我们将有机会看到一些影响整个微电子产业的变化。

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