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公司器件材料碳芯片技术走向商用化

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。

  “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Dean Freeman表示,“而其它大多数技术仍有很长的路要走。”

  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。

  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。

  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。

  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。

  Freeman介绍了Nantero公司和SVTC Technolgies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。

  “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。

  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。

  Nanocomp Technologies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%。

  “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Phaedon Avouris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。”

  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Applied Nanotech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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