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[原创] 芯片制造商亟需新材料来延续摩尔定律

半导体行业观察 ·2017-12-26 08:52·半导体行业观察
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石墨烯,2004年重新发现的神奇材料以及其他许多二维材料正在半导体制造领域取得进展,这一切源于硅的适用价值开始逐渐消失。 虽然已经有很多砷化镓、氮化镓和碳化硅等化合物在应用中,但是这些材料通常只能在局部市场的特定领域上应用。

二维层状过渡金属硫属化物(Transition metal dichalcogenides -TMDCs)是一类由基本元素(主要是碲,硒,硫和氧)衍生而来的二维材料,被研究人员广泛研究,用作半导体材料。 其中包括在芯片中使用的二硫化钼(MOS2),二硒化钼(MOSe2),二碲化钼和碲化钼(MOTe2),二硫化钨(WS2)和二硒化钨(WSe2)。

TMDCs是以石墨烯(碳的同素异构体)构成导电体,单层六边形的氮化硼(也被称为白石墨烯)构成绝缘体的半导体材料。这些材料可应用于各类电子元器件、能量采集器件以及柔性透明基材。 TMDCs也正在与硅基板相结合,让旧式硅片有更多的应用空间和时间。 二维材料可以印刷在纸张基材上,由此开辟了一个全新的纸张设备领域,比如传感器。

单层石墨烯具有很高的导电性——这一点非常重要。 2D碳材料没有带隙,但这限制了它在集成电路中的使用。 而双层石墨烯可以被调整为具有带隙。研究人员发现,碳化硅上的双层石墨烯薄膜可以得到更好的控制。 三层石墨烯也可调谐以产生带隙,这是半导体器件中开发场效应晶体管所必需的。

图1:石墨烯。来源:Cambridge Nanosystems.

IDTechEx Research预测2027年石墨烯市场将增长到3亿美元以上,当年出货量达到3,800多吨。

IDTechEx研究总监Khasha Ghaffarzadeh表示:“市场将在许多应用中分割,这反映出石墨烯的多样性。总的来说,我们希望功能性油墨和涂料能够早日进入市场。现在已经可以观察到它们原始的、小批量的应用,这也是我们几年前预测的一个趋势。事实上,IDTechEx Research预计到2018年功能性油墨和涂料市场将占市场的21%。然而,最终能源储存和复合材料将成为最大的行业,到2027年将控制着25%和40%的市场份额。”(Graphene,2D Materials and Carbon Nanotubes:Markets,Technologies and Opportunities,2017-2027。)

IBM多年来一直鼓吹碳纳米管将作为硅的继承者,并报告了基于碳纳米管开发晶体管的进展。

图2: 40nm的CNT晶体管。来源:IBM

Robert Bosch微系统技术负责人Timothy Schultz说:“各种原子层直接暴露于环境、超高的电子迁移率、导热性以及强度和灵活性等优良特性,石墨烯似乎是一种很好的传感器材料。在欧洲,我们从2012年开始进行石墨烯研究,这使我们成为欧洲最早研究石墨烯的旗帜性机构。在美国,除了其他领域的研究外,我们正在与伯克利加州大学和斯坦福大学一起积极进行石墨烯的相关研究。”

“不过,进展并不会一帆风顺。与任何新技术一样,走的一条颠簸的工业化道路。有三个关键障碍:首先,晶圆级制造石墨烯是困难的,这是由于在大面积上获得良好的均匀性、低的缺陷密度很不易,以及将其导入标准的半导体制程时存在带给其他制程污染的风险。当然,在制造石墨烯的众多方法之中会有适用的工业化制作方法。另外,我们需要一个强大的入口传感器和应用。对我们来说,一个经验法则是需要比现有技术中的任何特定参数都要好一个数量级。我们需要确定一个核心应用程序,并获得强大的投资回报。最后,将石墨烯纳入器件中,并在制造过程中保持石墨烯的性能。我们可能会对基板,后续层面以及如何接触石墨烯的特殊制程做出特殊要求。”

Alpha Assembly Solutions的战略和技术收购总监Rahul Raut表示,他的公司一直在与MacDermid 性能解决方案和英国曼彻斯特大学的国家石墨烯研究所合作。“目前,一个主要的挑战是能否以可扩展的大批量生产方法为特定的应用生产高质量的石墨烯。阿尔法与NGI的合作已经开发出具有HVM能力的合成方法,该方法能够制造大尺寸石墨烯薄片,使用该方法制成的石墨烯薄片具有独特的性质组合,使其适用于电子材料和其他相关材料应用。”

其他市场

石墨烯的应用范围远远超出了电子产品的范畴。例如,英国哈戴尔公司的首席执行官雷吉布斯说,该公司专注于纳米材料的处理,正在与一家韩国公司合作,将石墨烯加入到炊具中。该公司还在与亨斯亨高级材料公司合作,后者正在设计一些材料,如船体外壳,用于制造高强度、低重量的汽车车身的结构粘合剂。

Gibbs认为:“在某些方面,少既是多,这也是纳米材料的关键。”

剑桥大学石墨烯中心讲师Felice Torrisi指出,石墨烯和二维材料也被用于智能织物和可穿戴电子产品的油墨中。该大学的研究人员能够在纺织品上印刷氮化硼,石墨烯和银,形成两个完全柔性的晶体管。他表示也可以在三维表面上喷涂这些器件。

与此同时,Thomas Swan&Co.正在研究石墨烯在环氧树脂涂料领域的应用,因为它具有导热性,正在对石墨烯基油墨进行原型开发。 该公司先进材料研究负责人Dimitris Presvytis表示:“我们于2013年开始研究石墨烯,并一直专注于石墨烯和氮化硼的工业应用。我们对此抱有很高的期望。它可以挖掘出很多潜在的应用,甚至是汽车或航空航天领域。”

英国工艺创新中心的石墨烯应用中心与工业界合作,将石墨烯纳入涂料,复合材料,油墨,膜和传感器。 新业务总监汤姆·泰勒(Tom Taylor)表示:“石墨烯所宣称的许多性能可以经济高效地实现。”

泰勒表示,CPI可以帮助扩大各种电子技术的工程设计。他说:“我们有可供公司、投资者使用的成规模的试点设备。商业模式是,你有了一些现在还没有准备去做的新东西。在进行融资之前,可以来找我们验证。实际上仅支付租用设备的费用。这一切都是为了消除创新的风险。只需要创新者为一天的工作买单,而不是在设备上花几百万英镑。我们所关注是石墨烯领域——我们认为它会产生经济优势。”

标准制定

该领域的标准也开始出现。美国石墨烯委员会执行董事Terrance Barken表示他们正在制定石墨烯标准。

Barken 说:“我们认为未来将是石墨烯与其他技术、材料的结合,而不只是石墨烯本身。我们面临的挑战是,如何把这些不相干的各方聚集在一起,加速其发展进程,加速学界的思想交叉,使实际应用得到尽快的发展。严格来说,石墨烯是单层碳原子,这是最纯粹的形式,实际上的石墨烯有很多种形式。比如多层石墨烯,可能有三层,四层,五层,六层,七层。不过市场上甚至有一些材料可能是50层或100层的碳被标记为石墨烯,当然这就显然不是了。”

所有这些材料都需要有基本的定义。Barken说:“对于工业应用,人们定期使用消耗着材料,这就要求产品可以复制生产,工业上通常需要多种供应来源。如果你将有不止一个供应来源,而供应商需要提供相同的材料,以便在工业流程中应用。因此至少在某种程度上,你需要有一些标准化。现在ISO标准组织对石墨烯进行了定义——包含多达10层碳的材料可以被认为是石墨烯材料。如果它是11层或有更多的碳层,就会被认为是微小的石墨。但这并不意味着超过10层的材料是无用的。这些材料仍然是有用的,但我们不应该把它称为石墨烯,因为它只是混淆了市场,并不精确。”

结论

硅材料的发展势头依然强劲,但要将硅扩展到一些新市场和新工艺节点变得越来越困难。对于一些节点来说,CMOS已经走到尽头了,这在每个新节点上都变得更加明显。

像Lam Research 和 Applied Materials这样的公司已经讨论过一段时间,他们认为未来的发展将取决于新的材料。这为许多包括石墨烯、2D材料和碳纳米管在内的新选择打开了大门。其中一些材料本身就可以得到直接应用,而另一些将与硅材料结合,以延长摩尔定律,提高性能、功率和面积,最终远远超过目前的水平。

 

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