前沿科技之碳芯片技术走向商用化

扫街

碳芯片技术成为了有史以来最多机构合作进行的新型芯片开发项目。研发的机构涉及了麻省理工学院、IBM、佐治亚理工学院（Gatech）、多学科大学研究组织(MURI)、与美国空军和海军、ADT公司、sp3公司以及DuPont公司等。
碳-所有有机化合物的基本元素-有望代替硅成为未来半导体的可选材料。据研究人员介绍，基于元素周期表硅元素正上方元素的各种结构在热性能、频率范围甚至 超导电特性方面都要超过硅。
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“在所有的碳技术中，金刚石是目前最可能接近商用化的技术，因为对金刚石的研究工作已经有15年以上的历 史了。”Gartner公司高级分析师DeanFreeman表示，“而其它大多数技术仍有很长的路要走。”
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三维碳-金刚石的散热性 能是硅的10倍，据目前提供硅晶圆上40nm到15um金刚石薄膜的供应商表示。二维碳-3埃厚的单层石墨烯的电子移动性是硅的10倍，因此可以达到硅无 法达到的太赫兹(THz)性能。

/ A9 W3 P9 C" H% D同样，一维碳-1nm直径的纳米管可以解决数字硅的速度瓶颈。纳米管将最先呈现为可印刷的“墨”，这 种墨的速度比竞争性的有机晶体管快10倍。
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" A: B% F: a) |2 [- U/ ]' }6 d+ D另外，零维碳-60-原子空心碳球富勒烯可以达到硅无法实现的高温超导特性。内夹碱金属原 子的紧密充填式富勒烯的超导温度可达38K。
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3 n3 F* q7 W! N' v再过几年，碳工艺技术将有望代替今天使用的几乎每种电路材料：用于互连器件的导体，半导 体，用于器件绝缘的隔离器等。但业界究竟能多快地接受基于碳的材料还有待于观察，特别是在经济前景还不明朗的今天。

8 o( v( g. W* g5 A! c8 f1 hFreeman介 绍了Nantero公司和SVTCTechnolgies公司的经验。这两家公司合作为无工厂硅芯片制造商首次提供纳米管薄膜开发代工服务，这些制造商希 望将碳纳米管薄膜作为高性能互连材料增加到商用CMOS芯片上。“Nantero公司已经用碳纳米管开发出了好几种器件，但公司还没有找到愿意商用化这些 器件的客户。”他表示。
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+ E0 n9 Q2 v# }% Q2 T“碳纳米管也有望成为22nm以下CMOS器件的互连材料，这意味着至少还要5年时间才可能商用 化。”Freeman指出。
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( N) v  Q1 v7 `3 q4 x/ \: u包括DuPont公司在内的许多批量生产专业公司正在开发碳纳米管薄膜，而NEC等业界巨头已经成功在柔 性塑料基底的电子铸件上使用碳纳米管薄膜。

NanocompTechnologies等公司正在尝试将纳米管嵌入碳片中用于检测断裂 或其它结构性缺陷，同时在开发纳米管线缆，这种线缆的导电性可与铜媲美，而重量比铜轻80%。
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“目前已经有许多应用在用柔性电子材料 开发，包括军事和民用市场。”IBM公司管理碳晶体管项目的PhaedonAvouris表示。他们最初研究的是纳米管，最近转到了石墨烯上来。“当然， 如今已经有许多纳米管应用，用它们做的材料的导电和导热性更好，但在柔性基底上制造具有微米尺寸通道的薄膜晶体管将成为纳米管的首次商业应用。”
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也许在十年内碳电子开发人员不会直接与硅半导体商的成熟工艺技术竞争。相反，他们希望创建出一整套新的电子材料，并从微米尺寸的器件开始，这样的器件让 人回想起早期较大的硅晶体管。像AppliedNanotech等供应商正在开发可印刷的纳米管墨，这些纳米管墨可用于使用非接触气雾喷墨打印机的低价低 温沉积系统，如Optomec公司提供的产品。这些系统主要用于对成本敏感的应用，如塑料太阳能电池以及柔性聚合体基底上的RFID标签。
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' L1 h7 _0 M3 V/ D; J; S# E- H5 Z薄膜上的金刚石
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! @! E! K4 G9 R# e采用多晶薄膜金刚石的晶圆已经上市，业界正在研究与氮化镓等高性能材料一起使用的可能性。目前这些材料经常无法表现 最佳性能，因为即使金刚砂基底也无法足够快的散热。采用多晶薄膜金刚石的晶圆还被推荐为绝缘硅晶圆的更高性能替代品。
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" Z' k/ G6 _" l/ Q; Y' V% q纯金刚石晶体管 仍在试验中，但NTT和其它公司已经成功演示了用于通信的大功率高频版本。金刚石晶体管还被推荐用于工作在恶劣天气/温度条件下的新一代防碰撞汽车雷达系 统，以及未来有进一步发展前途的应用，如量子计算机中的量子位存储。

: z, @/ J0 J7 B# a6 {" J* N“目前金刚石主要用于高温、高频和高成本的小范围应用场合，比如 军事应用，他们能承受金刚石基底的超额成本。”Freeman表示。

影响单晶金刚石半导体商用化的两大障碍是渗杂和缩放。很少有渗杂 物能用来产生晶格缺陷，而这些缺陷是用来将材料从绝缘体改变为半导体的必要条件。

“硅有一系列完整的渗杂物，如硼和磷，将它们嵌入硅 片后就能实现某些半导体属性，然后通过退火修复晶格损伤。硅会在渗杂原子周围自然再结晶，而金刚石不会。如果你试图灌入渗杂物并退火金刚石，渗杂区域仅会 转变成石墨[无定形碳]。”AdvancedDiamondTechnologies公司首席技术官JohnCarlisle表示。

- k5 M  J( B% l2 d( L* N6 x缩放问题指的是无法使晶圆上的单晶金刚石生长到1.5英寸以上。在这一点上金刚石比不上硅，硅能够在原子级完美的单晶单层中取向附生到晶圆级的8英寸宽以 上。

“巨大的工程挑战仍旧在于如何使单晶金刚石薄膜覆盖整个200mm[8英寸]晶圆。”Carlisle指出。
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目前由ADT和sp3公司销售的金刚石晶圆大多数被用于体现它们超高硬度价值的微机电系统(MEMS)应用，以及要求金刚砂晶圆那样的散热性能但价格更 低的应用。“我们销售的金刚石涂覆晶圆价格只有金刚砂晶圆的25%左右。”sp3公司总裁DwainAidala表示。

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% `1 B6 b' h* G' \* tADT和sp3通过生长晶圆级多晶金刚石薄膜已经跨越了单晶碳薄膜面临的渗杂和缩放问题。被sp3称为微晶金刚石、被ADT称为超纳米晶体的这些薄膜使用 直径小至5nm(约10个碳原子宽)的碳颗粒，每个颗粒仅由20至30个原子组成。
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“纳米晶体金刚石有助于我们解决单晶金刚石面临的 渗杂和缩放问题。”Carlisle指出，“这种方法虽然还不是十分完美，但基本上能让我们捕捉到具有最佳属性而且没有缺陷的单晶金刚石。举例来说，我们 已经在实验室中成功地将我们的纳米晶体金刚石沉积到300mm(12英寸)晶圆上。因此，现在我们能够制造分层的结构，将我们的金刚石薄膜插入到CMOS 半导体叠层中的任何地方。”

$ M$ H7 w4 f; H0 x3 t8 _! fADT的超纳米晶体金刚石(UNCD)本身是绝缘的，但通过渗杂氮可以让它具有高度导电性能。通过将它们 自已放于纳米颗粒之间，而不是强行挤入碳晶格中，外部原子不会吸引晶格碳而使之变形为石墨。通过增加渗杂物和改变沉积工艺本身，UNCD薄膜的导电性能可 以提高8个数量级以上(1亿:1)。
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ADT公司还跟美国国防高级研究计划署(Darpa)签订了合同，开发针对MEMS应用的金刚 石。在这种应用中，材料的频率特性可拓展到GHz范围(硅MEMS器件局限于MHz)，并能提供长期可靠性。
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“金刚石具有MEMS想 要的所有属性。非常高的硬度使得金刚石能谐振在非常高的频率，而且它有非常稳定的表面，不会受到氧化。”ADT公司的Carlisle指出。
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3 M/ [+ Y& U  I2 _Darpa将在不久后评估它的恶劣环境鲁棒性微机械技术(Hermit)计划，该计划将使用ADT的超纳米晶体工艺制造金刚石薄膜，这一工艺在 Argonne国家实验室中表现得非常完美。针对Hermit计划，Darpa项目经理AmitLal争取到了多家公司的支持，其中包括：将ADT的金刚 石加工成MEMS器件的InnovativeMicroTechnology(IMT)公司;设计射频开关的MEMtronics公司;在蓝宝石硅晶圆上 制造CMOS驱动器的PeregrineSemiconductor公司。
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# h4 [  t  m9 X# y受到Darpa射频移相器成功实现的鼓励，承包商现在正着 手自己开发，将CMOS上的金刚石MEMS器件重新包装成用于消费设备的射频模块。

“我们的目标是将多种不同的射频振荡器、滤波器和 开关整合进单芯片解决方案，以便用于便携式无线设备，如智能手机和智能书籍。”Carlisle表示，相比之下目前的方法要使用30个不同供应商的产品。

碳技术的发展前景

7 n" P  D) b/ s+ X在追求电气特性的各种碳技术中，石墨烯是离商用化最远的技术，但在与硅半导体工艺集成方面也许最有前途。由于金刚 石本身是三维的，纳米管本身是一维的，因此二维的石墨烯晶体管能更好地匹配目前主流的二维半导体工艺。
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$ e* u) z) k* b石墨烯缺乏能带隙使得它难于用 作数字器件，但不难用于模拟晶体管。后者正是Darpa的碳电子射频应用(CERA)的计划目标。CERA计划在2012年前展示使用石墨烯晶体管制造的 94GHz功放。

. @1 ^5 K: l8 \( gIBM负责领导CERA研究工作。“我们已经在实验室中成功演示50GHz的石墨烯晶体管，下一步将更高，达数百 GHz。”Avouris表示。

* V; F( V( a1 P7 z% r. u# ]: B其它实验室也在争先恐后地用石墨烯制造高频晶体管。“我们实验室将在年内开发出基于石墨烯的很高频率 的晶体管。”佐治亚理工学院教授 WalterdeHeer透露，“针对这一应用，大部分基本的科学问题已被解决。现在我们的问题与任何新的半导体工艺一样：寻找一种兼容的电介质，然后学 会如何可靠地放置这种电介质。”
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麻省理工学院(MIT)的宽能带隙半导体专家TomasPalacios用石墨烯制造了首批模拟电 路，用于不需要能带隙的另外一种应用：倍频器。“我们一直在寻找能用今天的石墨烯制造的新器件-它将超过传统技术所能达到的性能。”Palacios表 示。
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4 M* a& S. ]8 p9 m9 q: U8 ^, H& v在石墨烯成为半导体主流之前需要解决的第二个问题是缩放。化学蒸气沉积技术局限于约1英寸的晶圆，促使研究人员求助于分子束取向 附生和金刚砂热能化(通过将金刚砂加热到1100℃进而燃烧掉硅来创建石墨烯涂覆的晶圆)。
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  J9 U2 ~8 Y* {* WPalacios小组则使用MIT教授 JingKong开发的CVD方法，这种方法能在涂覆了镍的硅晶圆上生长出厘米级的石墨烯薄膜。MIT研究人员通过蚀刻掉镍的方法将石墨烯薄膜从原始的晶 圆转移到其它基底上。

这种技术能用来测试各种基底，Palacios表示，“我们能把石墨烯电路放置到你想要的任何基底上，比如金刚 砂、金刚石、氮化镓，甚至柔性塑料基底。”

6 N1 ]  h" D5 r7 w( @MIT已经启动了一项五年计划，目标是将石墨烯用作商用芯片材料。多学科大学研究组织 (MURI)正在与美国空军和海军合作。空军想要发展高质量、统一、无缺陷的取向附生石墨烯;表征材料;以及识别潜在化学品，压力和生物检测等应用。在海 军研究室的支持下，MURI准备表征这种材料的电气特性，并使用亚10nm尺寸的纳米结构石墨烯剪裁出创新的器件功能和电路。

见习生小王

鼓舞人心的新技术方向，前面的道路还很漫长。