前沿科技之碳芯片技術走向商用化

掃街

碳芯片技術成為了有史以來最多機構合作進行的新型芯片開發項目。研發的機構涉及了麻省理工學院、IBM、佐治亞理工學院（Gatech）、多學科大學研究組織(MURI)、與美國空軍和海軍、ADT公司、sp3公司以及DuPont公司等。
" E: x* ^4 S4 C. C碳-所有有機化合物的基本元素-有望代替硅成為未來半導體的可選材料。據研究人員介紹，基于元素周期表硅元素正上方元素的各種結構在熱性能、頻率范圍甚至 超導電特性方面都要超過硅。

“在所有的碳技術中，金剛石是目前最可能接近商用化的技術，因為對金剛石的研究工作已經有15年以上的歷 史了。”Gartner公司高級分析師DeanFreeman表示，“而其它大多數技術仍有很長的路要走。”
5 C, u$ X; ^  A; K) F  `2 t
三維碳-金剛石的散熱性 能是硅的10倍，據目前提供硅晶圓上40nm到15um金剛石薄膜的供應商表示。二維碳-3埃厚的單層石墨烯的電子移動性是硅的10倍，因此可以達到硅無 法達到的太赫茲(THz)性能。
( ^+ `: S& K' @+ }8 P4 I
+ ~( g$ ?/ S& v! Q同樣，一維碳-1nm直徑的納米管可以解決數字硅的速度瓶頸。納米管將最先呈現為可印刷的“墨”，這 種墨的速度比競爭性的有機晶體管快10倍。

另外，零維碳-60-原子空心碳球富勒烯可以達到硅無法實現的高溫超導特性。內夾堿金屬原 子的緊密充填式富勒烯的超導溫度可達38K。

再過幾年，碳工藝技術將有望代替今天使用的幾乎每種電路材料：用于互連器件的導體，半導 體，用于器件絕緣的隔離器等。但業界究竟能多快地接受基于碳的材料還有待于觀察，特別是在經濟前景還不明朗的今天。
$ Z, f; ]/ @8 ?7 l
! w5 l7 u# m- V. _# oFreeman介 紹了Nantero公司和SVTCTechnolgies公司的經驗。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代工服務，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。“Nantero公司已經用碳納米管開發出了好幾種器件，但公司還沒有找到愿意商用化這些 器件的客戶。”他表示。
0 b) o5 O) n9 `$ ~9 l& x0 f
4 a6 j( g' S' R“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年時間才可能商用 化。”Freeman指出。

* |) o, ^$ K" a包括DuPont公司在內的許多批量生產專業公司正在開發碳納米管薄膜，而NEC等業界巨頭已經成功在柔 性塑料基底的電子鑄件上使用碳納米管薄膜。

" G' q; ]( @4 z5 A: Y/ |/ d4 d! Y/ ENanocompTechnologies等公司正在嘗試將納米管嵌入碳片中用于檢測斷裂 或其它結構性缺陷，同時在開發納米管線纜，這種線纜的導電性可與銅媲美，而重量比銅輕80%。
% L. l- Z. _" F* `+ ^( ?' N% \
5 C2 E/ F5 F: k% k, a9 }% B0 i+ ]“目前已經有許多應用在用柔性電子材料 開發，包括軍事和民用市場。”IBM公司管理碳晶體管項目的PhaedonAvouris表示。他們最初研究的是納米管，最近轉到了石墨烯上來。“當然， 如今已經有許多納米管應用，用它們做的材料的導電和導熱性更好，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應用。”
* F3 W$ [/ g* |8 O7 h+ e' a( Q+ p
2 N" E2 {+ Q6 z6 d. n3 E也許在十年內碳電子開發人員不會直接與硅半導體商的成熟工藝技術競爭。相反，他們希望創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等供應商正在開發可印刷的納米管墨，這些納米管墨可用于使用非接觸氣霧噴墨打印機的低價低 溫沉積系統，如Optomec公司提供的產品。這些系統主要用于對成本敏感的應用，如塑料太陽能電池以及柔性聚合體基底上的RFID標簽。

薄膜上的金剛石

采用多晶薄膜金剛石的晶圓已經上市，業界正在研究與氮化鎵等高性能材料一起使用的可能性。目前這些材料經常無法表現 最佳性能，因為即使金剛砂基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。
, ^9 P2 d9 S( H# ?/ g
2 [1 u* G( [0 E; ?" e純金剛石晶體管 仍在試驗中，但NTT和其它公司已經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雷達系 統，以及未來有進一步發展前途的應用，如量子計算機中的量子位存儲。
! t4 ^9 o  x9 r2 M$ t6 G3 ]3 x3 F
“目前金剛石主要用于高溫、高頻和高成本的小范圍應用場合，比如 軍事應用，他們能承受金剛石基底的超額成本。”Freeman表示。

  F! h7 L& W. s4 {0 T+ Q+ ^影響單晶金剛石半導體商用化的兩大障礙是滲雜和縮放。很少有滲雜 物能用來產生晶格缺陷，而這些缺陷是用來將材料從絕緣體改變為半導體的必要條件。

“硅有一系列完整的滲雜物，如硼和磷，將它們嵌入硅 片后就能實現某些半導體屬性，然后通過退火修復晶格損傷。硅會在滲雜原子周圍自然再結晶，而金剛石不會。如果你試圖灌入滲雜物并退火金剛石，滲雜區域僅會 轉變成石墨[無定形碳]。”AdvancedDiamondTechnologies公司首席技術官JohnCarlisle表示。

3 ^1 c; I6 w6 O2 i/ g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。在這一點上金剛石比不上硅，硅能夠在原子級完美的單晶單層中取向附生到晶圓級的8英寸寬以 上。

; k6 u# n/ F, ], }" X“巨大的工程挑戰仍舊在于如何使單晶金剛石薄膜覆蓋整個200mm[8英寸]晶圓。”Carlisle指出。

: }/ z; z) |8 t目前由ADT和sp3公司銷售的金剛石晶圓大多數被用于體現它們超高硬度價值的微機電系統(MEMS)應用，以及要求金剛砂晶圓那樣的散熱性能但價格更 低的應用。“我們銷售的金剛石涂覆晶圓價格只有金剛砂晶圓的25%左右。”sp3公司總裁DwainAidala表示。
! F& M/ q; U/ I
" b+ S' U2 D# p) U& g1 C
1 w: z9 S! |6 K+ n3 L- f

# r1 _8 ], I! Y0 y: {! u7 [" P6 _ADT和sp3通過生長晶圓級多晶金剛石薄膜已經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個碳原子寬)的碳顆粒，每個顆粒僅由20至30個原子組成。
& j2 K( a( l# O, R( e
/ }( j$ ], t0 R# x6 o1 O“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。”Carlisle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 已經在實驗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，現在我們能夠制造分層的結構，將我們的金剛石薄膜插入到CMOS 半導體疊層中的任何地方。”

ADT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電性能。通過將它們 自已放于納米顆粒之間，而不是強行擠入碳晶格中，外部原子不會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薄膜的導電性能可 以提高8個數量級以上(1億:1)。
# k; J2 Q7 e' K, }" C! l
7 B6 C9 D! C) m# Q5 j, x$ }ADT公司還跟美國國防高級研究計劃署(Darpa)簽訂了合同，開發針對MEMS應用的金剛 石。在這種應用中，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。
. v6 d3 [* ~+ P1 D: Z4 u  ?
“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，而且它有非常穩定的表面，不會受到氧化。”ADT公司的Carlisle指出。

* ]. x3 e9 F% w+ Z0 x& DDarpa將在不久后評估它的惡劣環境魯棒性微機械技術(Hermit)計劃，該計劃將使用ADT的超納米晶體工藝制造金剛石薄膜，這一工藝在 Argonne國家實驗室中表現得非常完美。針對Hermit計劃，Darpa項目經理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;設計射頻開關的MEMtronics公司;在藍寶石硅晶圓上 制造CMOS驅動器的PeregrineSemiconductor公司。

1 n5 m( I$ J) M受到Darpa射頻移相器成功實現的鼓勵，承包商現在正著 手自己開發，將CMOS上的金剛石MEMS器件重新包裝成用于消費設備的射頻模塊。
! o( K0 R. r* ]* e. @* k( @8 P
“我們的目標是將多種不同的射頻振蕩器、濾波器和 開關整合進單芯片解決方案，以便用于便攜式無線設備，如智能手機和智能書籍。”Carlisle表示，相比之下目前的方法要使用30個不同供應商的產品。
$ v7 s' l, Q- v' k
/ u( u; _3 ?; P( u- k. Y) |/ b2 O7 A碳技術的發展前景

在追求電氣特性的各種碳技術中，石墨烯是離商用化最遠的技術，但在與硅半導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體工藝。

石墨烯缺乏能帶隙使得它難于用 作數字器件，但不難用于模擬晶體管。后者正是Darpa的碳電子射頻應用(CERA)的計劃目標。CERA計劃在2012年前展示使用石墨烯晶體管制造的 94GHz功放。

IBM負責領導CERA研究工作。“我們已經在實驗室中成功演示50GHz的石墨烯晶體管，下一步將更高，達數百 GHz。”Avouris表示。

* a  m( V3 _7 N/ [7 M其它實驗室也在爭先恐后地用石墨烯制造高頻晶體管。“我們實驗室將在年內開發出基于石墨烯的很高頻率 的晶體管。”佐治亞理工學院教授 WalterdeHeer透露，“針對這一應用，大部分基本的科學問題已被解決。現在我們的問題與任何新的半導體工藝一樣：尋找一種兼容的電介質，然后學 會如何可靠地放置這種電介質。”

1 [5 |5 t& ~0 N4 D麻省理工學院(MIT)的寬能帶隙半導體專家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用：倍頻器。“我們一直在尋找能用今天的石墨烯制造的新器件-它將超過傳統技術所能達到的性能。”Palacios表 示。

在石墨烯成為半導體主流之前需要解決的第二個問題是縮放。化學蒸氣沉積技術局限于約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℃進而燃燒掉硅來創建石墨烯涂覆的晶圓)。

9 ~; |" ?3 ?' n  Z" \# S- x; [Palacios小組則使用MIT教授 JingKong開發的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 圓轉移到其它基底上。

* a  e4 u, w1 Y1 G8 I% u這種技術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。”

MIT已經啟動了一項五年計劃，目標是將石墨烯用作商用芯片材料。多學科大學研究組織 (MURI)正在與美國空軍和海軍合作。空軍想要發展高質量、統一、無缺陷的取向附生石墨烯;表征材料;以及識別潛在化學品，壓力和生物檢測等應用。在海 軍研究室的支持下，MURI準備表征這種材料的電氣特性，并使用亞10nm尺寸的納米結構石墨烯剪裁出創新的器件功能和電路。

見習生小王

鼓舞人心的新技術方向，前面的道路還很漫長。