前沿科技之碳芯片技術(shù)走向商用化

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碳芯片技術(shù)成為了有史以來最多機(jī)構(gòu)合作進(jìn)行的新型芯片開發(fā)項(xiàng)目。研發(fā)的機(jī)構(gòu)涉及了麻省理工學(xué)院、IBM、佐治亞理工學(xué)院（Gatech）、多學(xué)科大學(xué)研究組織(MURI)、與美國空軍和海軍、ADT公司、sp3公司以及DuPont公司等。
碳-所有有機(jī)化合物的基本元素-有望代替硅成為未來半導(dǎo)體的可選材料。據(jù)研究人員介紹，基于元素周期表硅元素正上方元素的各種結(jié)構(gòu)在熱性能、頻率范圍甚至 超導(dǎo)電特性方面都要超過硅。

“在所有的碳技術(shù)中，金剛石是目前最可能接近商用化的技術(shù)，因?yàn)閷?duì)金剛石的研究工作已經(jīng)有15年以上的歷 史了�！盙artner公司高級(jí)分析師DeanFreeman表示，“而其它大多數(shù)技術(shù)仍有很長的路要走�！�

三維碳-金剛石的散熱性 能是硅的10倍，據(jù)目前提供硅晶圓上40nm到15um金剛石薄膜的供應(yīng)商表示。二維碳-3埃厚的單層石墨烯的電子移動(dòng)性是硅的10倍，因此可以達(dá)到硅無 法達(dá)到的太赫茲(THz)性能。

9 v7 u  g% I' g7 m同樣，一維碳-1nm直徑的納米管可以解決數(shù)字硅的速度瓶頸。納米管將最先呈現(xiàn)為可印刷的“墨”，這 種墨的速度比競爭性的有機(jī)晶體管快10倍。

( c) i3 a* X; K2 D* s另外，零維碳-60-原子空心碳球富勒烯可以達(dá)到硅無法實(shí)現(xiàn)的高溫超導(dǎo)特性。內(nèi)夾堿金屬原 子的緊密充填式富勒烯的超導(dǎo)溫度可達(dá)38K。

) r4 n9 G3 C. v6 J0 K' y( a4 ]再過幾年，碳工藝技術(shù)將有望代替今天使用的幾乎每種電路材料：用于互連器件的導(dǎo)體，半導(dǎo) 體，用于器件絕緣的隔離器等。但業(yè)界究竟能多快地接受基于碳的材料還有待于觀察，特別是在經(jīng)濟(jì)前景還不明朗的今天。
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( e$ e6 x  V5 O% S( ^# PFreeman介 紹了Nantero公司和SVTCTechnolgies公司的經(jīng)驗(yàn)。這兩家公司合作為無工廠硅芯片制造商首次提供納米管薄膜開發(fā)代工服務(wù)，這些制造商希 望將碳納米管薄膜作為高性能互連材料增加到商用CMOS芯片上�！癗antero公司已經(jīng)用碳納米管開發(fā)出了好幾種器件，但公司還沒有找到愿意商用化這些 器件的客戶。”他表示。
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: F( m( S- o2 M* `“碳納米管也有望成為22nm以下CMOS器件的互連材料，這意味著至少還要5年時(shí)間才可能商用 化�！盕reeman指出。
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包括DuPont公司在內(nèi)的許多批量生產(chǎn)專業(yè)公司正在開發(fā)碳納米管薄膜，而NEC等業(yè)界巨頭已經(jīng)成功在柔 性塑料基底的電子鑄件上使用碳納米管薄膜。

NanocompTechnologies等公司正在嘗試將納米管嵌入碳片中用于檢測斷裂 或其它結(jié)構(gòu)性缺陷，同時(shí)在開發(fā)納米管線纜，這種線纜的導(dǎo)電性可與銅媲美，而重量比銅輕80%。

2 R5 B4 P$ J0 {4 J8 n* ]! a“目前已經(jīng)有許多應(yīng)用在用柔性電子材料 開發(fā)，包括軍事和民用市場�！盜BM公司管理碳晶體管項(xiàng)目的PhaedonAvouris表示。他們最初研究的是納米管，最近轉(zhuǎn)到了石墨烯上來�！爱�(dāng)然， 如今已經(jīng)有許多納米管應(yīng)用，用它們做的材料的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性更好，但在柔性基底上制造具有微米尺寸通道的薄膜晶體管將成為納米管的首次商業(yè)應(yīng)用�！�
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也許在十年內(nèi)碳電子開發(fā)人員不會(huì)直接與硅半導(dǎo)體商的成熟工藝技術(shù)競爭。相反，他們希望創(chuàng)建出一整套新的電子材料，并從微米尺寸的器件開始，這樣的器件讓 人回想起早期較大的硅晶體管。像AppliedNanotech等供應(yīng)商正在開發(fā)可印刷的納米管墨，這些納米管墨可用于使用非接觸氣霧噴墨打印機(jī)的低價(jià)低 溫沉積系統(tǒng)，如Optomec公司提供的產(chǎn)品。這些系統(tǒng)主要用于對(duì)成本敏感的應(yīng)用，如塑料太陽能電池以及柔性聚合體基底上的RFID標(biāo)簽。
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2 V' L% q. `6 S4 g5 M% |薄膜上的金剛石
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8 V3 X7 r/ L  x采用多晶薄膜金剛石的晶圓已經(jīng)上市，業(yè)界正在研究與氮化鎵等高性能材料一起使用的可能性。目前這些材料經(jīng)常無法表現(xiàn) 最佳性能，因?yàn)榧词菇饎偵盎�底也無法足夠快的散熱。采用多晶薄膜金剛石的晶圓還被推薦為絕緣硅晶圓的更高性能替代品。
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純金剛石晶體管 仍在試驗(yàn)中，但NTT和其它公司已經(jīng)成功演示了用于通信的大功率高頻版本。金剛石晶體管還被推薦用于工作在惡劣天氣/溫度條件下的新一代防碰撞汽車?yán)走_(dá)系 統(tǒng)，以及未來有進(jìn)一步發(fā)展前途的應(yīng)用，如量子計(jì)算機(jī)中的量子位存儲(chǔ)。
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/ A5 \, m: e8 T. o$ T“目前金剛石主要用于高溫、高頻和高成本的小范圍應(yīng)用場合，比如 軍事應(yīng)用，他們能承受金剛石基底的超額成本。”Freeman表示。

影響單晶金剛石半導(dǎo)體商用化的兩大障礙是滲雜和縮放。很少有滲雜 物能用來產(chǎn)生晶格缺陷，而這些缺陷是用來將材料從絕緣體改變?yōu)榘雽?dǎo)體的必要條件。

“硅有一系列完整的滲雜物，如硼和磷，將它們嵌入硅 片后就能實(shí)現(xiàn)某些半導(dǎo)體屬性，然后通過退火修復(fù)晶格損傷。硅會(huì)在滲雜原子周圍自然再結(jié)晶，而金剛石不會(huì)。如果你試圖灌入滲雜物并退火金剛石，滲雜區(qū)域僅會(huì) 轉(zhuǎn)變成石墨[無定形碳]�！盇dvancedDiamondTechnologies公司首席技術(shù)官JohnCarlisle表示。
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縮放問題指的是無法使晶圓上的單晶金剛石生長到1.5英寸以上。在這一點(diǎn)上金剛石比不上硅，硅能夠在原子級(jí)完美的單晶單層中取向附生到晶圓級(jí)的8英寸寬以 上。
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“巨大的工程挑戰(zhàn)仍舊在于如何使單晶金剛石薄膜覆蓋整個(gè)200mm[8英寸]晶圓�！盋arlisle指出。
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9 \4 b1 t1 M7 D, F' s. k8 @目前由ADT和sp3公司銷售的金剛石晶圓大多數(shù)被用于體現(xiàn)它們超高硬度價(jià)值的微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)應(yīng)用，以及要求金剛砂晶圓那樣的散熱性能但價(jià)格更 低的應(yīng)用�！拔覀冧N售的金剛石涂覆晶圓價(jià)格只有金剛砂晶圓的25%左右�！眘p3公司總裁DwainAidala表示。
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ADT和sp3通過生長晶圓級(jí)多晶金剛石薄膜已經(jīng)跨越了單晶碳薄膜面臨的滲雜和縮放問題。被sp3稱為微晶金剛石、被ADT稱為超納米晶體的這些薄膜使用 直徑小至5nm(約10個(gè)碳原子寬)的碳顆粒，每個(gè)顆粒僅由20至30個(gè)原子組成。
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“納米晶體金剛石有助于我們解決單晶金剛石面臨的 滲雜和縮放問題�！盋arlisle指出，“這種方法雖然還不是十分完美，但基本上能讓我們捕捉到具有最佳屬性而且沒有缺陷的單晶金剛石。舉例來說，我們 已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室中成功地將我們的納米晶體金剛石沉積到300mm(12英寸)晶圓上。因此，現(xiàn)在我們能夠制造分層的結(jié)構(gòu)，將我們的金剛石薄膜插入到CMOS 半導(dǎo)體疊層中的任何地方。”
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$ B3 ]# W" X5 x, q" ^- pADT的超納米晶體金剛石(UNCD)本身是絕緣的，但通過滲雜氮可以讓它具有高度導(dǎo)電性能。通過將它們 自已放于納米顆粒之間，而不是強(qiáng)行擠入碳晶格中，外部原子不會(huì)吸引晶格碳而使之變形為石墨。通過增加滲雜物和改變沉積工藝本身，UNCD薄膜的導(dǎo)電性能可 以提高8個(gè)數(shù)量級(jí)以上(1億:1)。

ADT公司還跟美國國防高級(jí)研究計(jì)劃署(Darpa)簽訂了合同，開發(fā)針對(duì)MEMS應(yīng)用的金剛 石。在這種應(yīng)用中，材料的頻率特性可拓展到GHz范圍(硅MEMS器件局限于MHz)，并能提供長期可靠性。

9 j. D) t5 c4 b“金剛石具有MEMS想 要的所有屬性。非常高的硬度使得金剛石能諧振在非常高的頻率，而且它有非常穩(wěn)定的表面，不會(huì)受到氧化�！盇DT公司的Carlisle指出。

Darpa將在不久后評(píng)估它的惡劣環(huán)境魯棒性微機(jī)械技術(shù)(Hermit)計(jì)劃，該計(jì)劃將使用ADT的超納米晶體工藝制造金剛石薄膜，這一工藝在 Argonne國家實(shí)驗(yàn)室中表現(xiàn)得非常完美。針對(duì)Hermit計(jì)劃，Darpa項(xiàng)目經(jīng)理AmitLal爭取到了多家公司的支持，其中包括：將ADT的金剛 石加工成MEMS器件的InnovativeMicroTechnology(IMT)公司;設(shè)計(jì)射頻開關(guān)的MEMtronics公司;在藍(lán)寶石硅晶圓上 制造CMOS驅(qū)動(dòng)器的PeregrineSemiconductor公司。
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受到Darpa射頻移相器成功實(shí)現(xiàn)的鼓勵(lì)，承包商現(xiàn)在正著 手自己開發(fā)，將CMOS上的金剛石MEMS器件重新包裝成用于消費(fèi)設(shè)備的射頻模塊。
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“我們的目標(biāo)是將多種不同的射頻振蕩器、濾波器和 開關(guān)整合進(jìn)單芯片解決方案，以便用于便攜式無線設(shè)備，如智能手機(jī)和智能書籍�！盋arlisle表示，相比之下目前的方法要使用30個(gè)不同供應(yīng)商的產(chǎn)品。
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在追求電氣特性的各種碳技術(shù)中，石墨烯是離商用化最遠(yuǎn)的技術(shù)，但在與硅半導(dǎo)體工藝集成方面也許最有前途。由于金剛 石本身是三維的，納米管本身是一維的，因此二維的石墨烯晶體管能更好地匹配目前主流的二維半導(dǎo)體工藝。
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# ~( ]* U2 L% Y( W石墨烯缺乏能帶隙使得它難于用 作數(shù)字器件，但不難用于模擬晶體管。后者正是Darpa的碳電子射頻應(yīng)用(CERA)的計(jì)劃目標(biāo)。CERA計(jì)劃在2012年前展示使用石墨烯晶體管制造的 94GHz功放。
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IBM負(fù)責(zé)領(lǐng)導(dǎo)CERA研究工作�！拔覀円呀�(jīng)在實(shí)驗(yàn)室中成功演示50GHz的石墨烯晶體管，下一步將更高，達(dá)數(shù)百 GHz�！盇vouris表示。
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7 }; e& {9 e7 F$ |其它實(shí)驗(yàn)室也在爭先恐后地用石墨烯制造高頻晶體管�！拔覀儗�(shí)驗(yàn)室將在年內(nèi)開發(fā)出基于石墨烯的很高頻率 的晶體管。”佐治亞理工學(xué)院教授 WalterdeHeer透露，“針對(duì)這一應(yīng)用，大部分基本的科學(xué)問題已被解決�，F(xiàn)在我們的問題與任何新的半導(dǎo)體工藝一樣：尋找一種兼容的電介質(zhì)，然后學(xué) 會(huì)如何可靠地放置這種電介質(zhì)。”

麻省理工學(xué)院(MIT)的寬能帶隙半導(dǎo)體專家TomasPalacios用石墨烯制造了首批模擬電 路，用于不需要能帶隙的另外一種應(yīng)用：倍頻器�！拔覀円恢痹趯ふ夷苡媒裉斓氖�墨烯制造的新器件-它將超過傳統(tǒng)技術(shù)所能達(dá)到的性能�！盤alacios表 示。
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在石墨烯成為半導(dǎo)體主流之前需要解決的第二個(gè)問題是縮放�；瘜W(xué)蒸氣沉積技術(shù)局限于約1英寸的晶圓，促使研究人員求助于分子束取向 附生和金剛砂熱能化(通過將金剛砂加熱到1100℃進(jìn)而燃燒掉硅來創(chuàng)建石墨烯涂覆的晶圓)。
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Palacios小組則使用MIT教授 JingKong開發(fā)的CVD方法，這種方法能在涂覆了鎳的硅晶圓上生長出厘米級(jí)的石墨烯薄膜。MIT研究人員通過蝕刻掉鎳的方法將石墨烯薄膜從原始的晶 圓轉(zhuǎn)移到其它基底上。
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這種技術(shù)能用來測試各種基底，Palacios表示，“我們能把石墨烯電路放置到你想要的任何基底上，比如金剛 砂、金剛石、氮化鎵，甚至柔性塑料基底�！�
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MIT已經(jīng)啟動(dòng)了一項(xiàng)五年計(jì)劃，目標(biāo)是將石墨烯用作商用芯片材料。多學(xué)科大學(xué)研究組織 (MURI)正在與美國空軍和海軍合作�？哲娤胍�發(fā)展高質(zhì)量、統(tǒng)一、無缺陷的取向附生石墨烯;表征材料;以及識(shí)別潛在化學(xué)品，壓力和生物檢測等應(yīng)用。在海 軍研究室的支持下，MURI準(zhǔn)備表征這種材料的電氣特性，并使用亞10nm尺寸的納米結(jié)構(gòu)石墨烯剪裁出創(chuàng)新的器件功能和電路。

見習(xí)生小王

鼓舞人心的新技術(shù)方向，前面的道路還很漫長。