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石墨烯在半导体领域中的应用形式
出处:Carbontech  录入日期:2019-10-08  点击数:300

  一直以来,硅都是半导体产品的最重要材料。不过随着制程微缩的不断推进,以硅为原料的芯片已经接近物理极限,半导体芯片的未来要如何发展备受关注。由于物理极限的限制,石墨烯在未来的晶圆、计算芯片以及各类型的微电子器件中都能担当大任,并发挥其独特的性能。
  石墨烯作为半岛体材料使用
  要说石墨烯最具野心的应用即是这里,如同在《甄嬛传》中演甄嬛一样,在半导体领域中做半导体,是石墨烯的终极应用。在过去50年中,硅一直是半导体产品中最重要的材料。不过随着制程微缩的不断推进,以硅为原料的芯片已经接近物理极限,半导体芯片的未来要如何发展备受关注。
  石墨烯的能隙
  石墨烯做半导体材料使用,首先必须具有能隙。结构完整的本征石墨烯的带隙为零,呈现金属性。本征石墨烯零带隙特征限制了其在半导体领域的深入应用。石墨烯良好的导电性和带隙始终无法兼得是一直以来的难题。关于石墨烯科学研究,其中之一的宏伟目标就是找出一种方法,既可以保持石墨烯的所有优点如优良的导电性,但同时又能产生一个带隙- 一个电子开关(只能开不能关),过去对石墨烯进行修饰以产生这种带隙的方法降低了石墨烯固有的良好性能,所以不太实用。
  目前,大量研究结果显示,存在能够改变石墨烯带隙的技术途径,如光刻法、边缘修饰、引入外加电压、参杂异质元素、氢化石墨烯以及在不同基体上外延生长石墨烯等方法。
  之前做过一篇粗略汇总——《关于石墨烯做半导体使用时的能隙问题——研究从未停止》
  石墨烯薄膜的制备
  其次,石墨烯具有能隙之后,如何生长无缺陷的单晶石墨烯薄膜是要面临的第二个问题,即使不做半导体材料使用,石墨烯要想在高端电子器件中得到广泛使用,也必须能够生长出高质量的石墨烯薄膜,国内目前石墨烯单晶薄膜生长部分进展:
  (1)生长温度
  单晶石墨烯晶圆的生长一般需要1000℃或更高的温度,容易产生褶皱、污染,不但产生较高的能耗,也容易导致石墨烯性能降低。中国科学院上海微系统与信息技术研究所谢晓明领导的石墨烯研究团队首次在较低温度(750℃)条件下采用化学气相沉积外延成功制备6英寸无褶皱高质量石墨烯单晶晶圆。成功将外延生长石墨烯单晶的生长温度从1000℃ 成功降低到750℃。单晶石墨烯晶圆的批量化制备是石墨烯在电子学领域规模化应用的前提,低温外延制备晶圆级石墨烯单晶对于推动石墨烯在电子学领域的应用具有重要意义。
  (2)规模化制备
  19年5月,彭海琳教授、刘忠范院士联合团队循着外延衬底制备-石墨烯外延生长这一研究思路,首先制备了4英寸CuNi(111)铜镍合金单晶薄膜,并以其为生长基底实现了4英寸石墨烯单晶晶圆的超快速制备。同时,该团队与合作者自主研发了石墨烯单晶晶圆批量制备装备,实现了单批次25片4英寸石墨烯单晶晶圆的制备,设备年产能可达1万片,在世界范围内率先实现了石墨烯单晶晶圆的可规模化制备。
  石墨烯薄膜的无损转移
  采用CVD法生长石墨烯大多以过渡金属微生长基底,借助其较高的化学催化活性,促进碳源裂解并在金属表面吸附、扩散、成核、生长形成石墨烯。通过调控生长过程中的参数,可以实现大面积、层数可控、高质量且结构均一连续的石墨烯薄膜,经过工艺优化,可实现超大面积石墨烯单晶生长。但是,在实际应用中,金属表面形成的石墨烯一般需要转移至介电层上,所以石墨烯薄膜的无损转移一直都有研究投入。
  19年5月份,南科大材料系蔡念铎利用樟脑实现了CVD法石墨烯薄膜的简便高效、大面积的高质量转移。樟脑与石墨烯表面吸附能较小,作为辅助转移层时可以仅通过室温下干燥升华、低温短时间退火或无水乙醇试剂清洗即被完全除去。避免了传统转移方法中去除转移支撑层所使用的有机试剂长时间浸泡和高温退火等操作,减少了对石墨烯薄膜的品质损坏,并扩展了石墨烯在诸多柔性基底上的应用。
  直接在目标基底上进行石墨烯的生长
  虽然石墨烯在金属表面上的CVD生长得到了很好的发展,但后续转移过程是目前器件性能的主要限制过程。另外,在转移期间处理石墨烯层会引入机械损伤,这也会降低器件性能,甚至可能导致器件完全失效。
  因此,在目标衬底如硅基衬底上直接生长石墨烯的研究也在同步进行着,自2014年起,在国家自然科学基金重大项目“介电衬底上高质量大面积石墨烯信息器件的构筑与特性研究”支持下,中国科学家瞄准领域研究前沿,针对石墨烯信息器件的一些关键基础问题,开展新概念、新方法和新技术的研究,在石墨烯信息器件的重大科学问题上取得了一系列进展。
  研究人员在国际上首次提出并利用“插层法”实现原位、无损地将Si、Ge、Mg、Hf等几种材料插入石墨烯与金属的界面之间,并对插层结构进行原位氧化,最终获得高绝缘性的介电插层,实现了介电衬底上高质量、大面积的石墨烯材料生长。同时,通过石墨烯量子器件的加工印证了介电插层的有效性,引起了国际同行的关注与好评。
  此外,研究人员还采用非金属催化的CVD方法,在多种绝缘基底上实现了微米尺度石墨烯单晶的直接生长和可控制备,获得大面积均匀的单层石墨烯膜,薄膜尺寸达3英寸。
  石墨烯在目标衬底如硅基衬底上的直接生长优势:
  (1)省却石墨烯转移步骤,避免了转移过程对石墨烯薄膜造成的污染及损伤;
  (2)可与现在的硅工艺兼容从而便于实现大规模量产。
  石墨烯在半导体生线中的其他应用形式
  取代铜做互连线
  2015年,国际半导体技术路线图(ITRS)预测,基于通孔的铜互连将无法再平面连接硅材料,或将一层布线连接到另一层布线。但ITRS的预测并不总是如期发生,基于通孔的铜互连依旧在起作用。不过,研究人员认为,现在考虑未来的替代物质或接下来怎么做已经不早了。
  目前铜互连的最小线宽在26-30纳米左右。一旦铜线宽缩小到20纳米或15纳米就可能出现严重问题。石墨烯互连在线宽方面非常具有优势。
  散热及电磁屏蔽
  随着电子芯片性能的提升和尺寸的微型化,芯片呈现出越来越高的热流密度。据预测,芯片的平均热流密度将达到500W/cm2,局部热点热流密度将会超过1000W/cm,而传统风冷散热已经达到极限(<1W/cm2)。而芯片温度的控制至关重要,对于稳定持续工作的电子芯片,最高温度不能超过85℃,温度过高会导致芯片损坏,研究表明,在70~80℃内,单个电子元件的温度每升高10℃,系统可靠性降低50%。据统计,有超过55%的电子设备失效形式都是温度过高引起的。因此,为保证芯片工作的可靠性和稳定性,寻找新型高效的散热材料成为迫切需求。
  2014 年,班涛等在三维芯片中增加一个石墨烯层解决散热问题,加入石墨烯导热层后,峰值温度有了较好的改善,石墨烯层能够提供良好的散热通道,将热量快速分散开。同年,美国的高斯公司申请制备具有石墨烯屏蔽效应的3D 集成电路的专利,石墨烯层作为3D 集成电路相邻层级或者相邻层之间的电磁干扰屏蔽体,可减少在层级之间的串扰,同时向周围传递热量。
  较新颖独特的应用:“石墨烯复印机”技术
  麻省理工学院的Jeehwan Kim教授团队通过将单层石墨烯放在晶圆上,然后在石墨烯上生长半导体材料。他们发现在石墨烯足够薄的情况下,当复印底层晶圆上的图形时,并不受中间层石墨烯的影响。石墨烯相当“滑”,不容易与其它材料粘附在一起,能够很容易地将被印有图形的半导体层从晶圆上剥离开来。
  在传统的方法中,几乎不可避免的要牺牲晶圆,这种新技术使用石墨烯作为中间层,使得晶圆上的图形能够被复制和粘贴,从而使被图形化的晶圆能够利用很多次。因此,这不仅能显著降低晶圆成本,也能显著降低分离过程中的损害。目前半导体工业界一直坚持使用硅材料,虽然已经知道存在性能更好的半导体材料,但是由于成本问题,目前还难以大规模地使用它们。这种新技术为我们选择其它半导体材料提供了更大的机会,因为其显著降低了成本问题的限制。
  总结
  石墨烯在半导体领域的应用取得了许多突破与进展,但以目前的技术取代硅或者实现大规模应用还有很大差距,硅最大的优势是技术成熟,获取方便,价格低廉,而半导体领域中的石墨烯只能用CVD法制备,价格昂贵,成品率低,如何实现石墨烯规模化生产是个亟待解决的问题;石墨烯作为一种2D 平面材料,有较严重量子效应,边缘态和晶态均很大程度影响电子结构和电性质。此外,需要深入研究石墨烯的导电性,使石墨烯集成电路有更优异的性能。
  文章来源:Carbontech

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