石墨烯硅烯在微電子領域的現狀與趨勢

    鋰電世界  石墨烯作為電子產品的基體已經引起了許多大公司的注意，例如IBM和三星，這主要是由于其電子遷移率-理論上高達200000cm2/Vs，而硅只有1400cm2/Vs，銻化銦有77000cm2/Vs，這意味著超高速的電子遷移方式。然而這個數字只是理論上的，現實中我們還有很長一段距離要走。但是這將可能使電子設備的速度提高將近1000倍，這是一個從千兆到太赫茲的跳躍，難怪人們對此非常期待。

    石墨烯的“阿喀琉斯之踵”

    在“石墨烯路線圖”(由曼徹斯特大學諾貝爾獎得主與來自德州儀器、三星和其他研究所的研究人員共同撰寫的論文)中對這種樂觀情緒有一個警告：

    “由于石墨烯沒有帶隙，因此在下一個十年內石墨烯這種材料應用于高性能集成邏輯電路的希望不大?！?/P>

    換句話說，其開/關比不佳。開/關比是指裝置被接通和斷開時的導電性之間的差異。如果該比例太低，即便是已經關閉了，晶體管還是會導通電子。具有大量晶體管的設備會因此而損失大量的能量，從而僅僅成為一個加熱器。這一點限制了石墨烯應用于具有邏輯單元的裝置中。

    然而，由于其在微電子方面成功后的潛在收益是如此之大，帶隙問題并沒有阻止世界大型電子公司研發石墨烯為基礎的電子設備，三星和IBM在這個領域則是非?；钴S。

    IBM vs 三星孰強孰弱？

    IBM公司聲稱已建立世界上最先進的基于石墨烯的芯片，比其他石墨烯片優越近10000倍-表明之前的嘗試并不是非常完美。從CMOS制造的角度來看，石墨烯并不是一種絕佳的材料。它相當脆弱，因此當你在近一個原子層厚進行沉積和蝕刻其他材料時，石墨烯很容易損壞。因此，雖然通過沉積石墨烯來制造晶體管的石墨烯通道是可能的，但是所有的后續處理步驟有可能會將其損壞，最終使其沒有優勢。

    IBM的突破性思想是最后沉積石墨烯。相比于原位沉積，他們傾向于通過化學氣相沉積法在銅箔上生長石墨烯，然后將銅箔溶解，留下一層可由晶片“鏟起”的石墨烯。這似乎很難和通常用在半導體工業中的制造過程相關聯，并有報道說這樣制備的石墨烯質量差，而且處置銅箔的方式相當浪費和昂貴。

    三星采用的不同的方式，即在硅晶片上生長高質量的單晶石墨技術，被稱為石墨烯研究歷史上最顯著的突破之一。和IBM公司的方法一樣，這種技術制備的石墨烯片可用于微電子。由于電阻偏高，制造可行的設備似乎有些遙遠，但是目前三星似乎更關心設備和屏幕的靈活性。

    除了晶體管，石墨烯對電子的高傳導性可以被更廣泛地應用于其他即集成電路中，例如作為導體，可以使CMOS電路更便宜，更高效。

    硅烯是石墨烯的挑戰者嗎?

    當我們致力于解決石墨烯帶隙問題時，另一個二維挑戰者-硅烯已經出現。最近報道了第一個硅烯晶體管，和石墨烯不同，硅烯這種材料具有一個帶隙，雖然很多CMOS的工程師對此都很懷疑。

    硅烯的另一個潛在優勢就是半導體產業在過去60年對硅而不是碳已經非常了解。至少在理論上，這應該意味著所需要的工藝變化不那么激烈。雖然這一切看起來都很樂觀，但是和石墨烯相比，硅烯的生產和處理過程絕對是噩夢。

    如果將硅烯置于兩維材料層之間以便保護它是可行的，但是這將需要開發新的生產工藝。其他新的二維材料，例如鍺也面臨相同的問題。

    二維材料兩馬相爭或者是一枝獨秀?

    石墨烯及其挑戰者在微電子方面的應用問題，使得在短期內看到這些反應更加快速的設備是不可能的。國際半導體技術藍圖(ITRS)認為在2020年以前不會看到不能用硅解決的方案，因此石墨烯微電子器件的發展將是一個長期的過程。根據正在進行的研究的數量，我將賭注下在二維材料的組合上。

    但上述所有的先決條件是，我們繼續以同樣的方式制造集成電路。該半導體路線圖是由早期晶體管的性能決定的，這意味著該行業不得不圍繞工程材料的局限性進行。最可能的結果是，由于微電子產業的創造力，石墨烯將不得不與硅共同相處。

    但也有各種其它正在開發的納米技術，范圍從自旋電子到有機晶體管等方面。因此“超越CMOS”是指的“以目前的CMOS技術為基礎來達到超越CMOS的目的?！?/P>

    歷史告訴我們，科技并不是線性發展的，而且完全拋棄現有的CMOS將會是非常愚蠢的。到2025年，我們將有機會看到一些影響整個微電子產業的變化。