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1、-8 -石墨烯對(duì)比碳納米管材料2005年,國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)線路圖 (ITRS)委員會(huì)首次明確指出在 2020年前后硅基 CMOS技術(shù)將達(dá)到其性能極限。后摩爾時(shí)代的集成電路技術(shù)的研究變得日趨急迫,很多人 認(rèn)為微電子工業(yè)在走到 7納米技術(shù)節(jié)點(diǎn)之后可能不得不面臨放棄繼續(xù)使用硅材料作為晶體 管導(dǎo)電溝道。在為數(shù)不多的可能替代材料中,碳基納米材料被公認(rèn)為最有可能替代硅材料。2008年ITRS新興研究材料和新興研究器件工作組在考察了所有可能的硅基CMOS替代技術(shù)之后,明確向半導(dǎo)體行業(yè)推薦重點(diǎn)研究碳基電子學(xué),作為未來(lái)510年顯現(xiàn)商業(yè)價(jià)值的下一代電子技術(shù)。美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金委員會(huì)(NSF)十余年來(lái)除了在美國(guó)國(guó)家納米

2、技術(shù)計(jì)劃中繼續(xù)對(duì)碳納米材料和相關(guān)器件給予重點(diǎn)支持外,在2008年還專門啟動(dòng)了 超過摩爾定律的科學(xué)與工程項(xiàng)目”,其中碳基電子學(xué)研究被列為重中之重。其后美國(guó)不斷加大對(duì)碳基電子學(xué) 研究的投入,美國(guó)國(guó)家納米計(jì)劃從 2010年開始將“2020年后的納米電子學(xué)”設(shè)置為3個(gè)重中 之重的成名計(jì)劃(signatureinitiatives)之一。除美國(guó)外,歐盟和其他各國(guó)政府也高度重視碳納 米材料和相關(guān)電子學(xué)的研究和開發(fā)應(yīng)用,布局和繼續(xù)搶占信息技術(shù)核心領(lǐng)域的制高點(diǎn)。碳納米管材料中,最有可能替代硅的有兩個(gè),碳納米管和石墨烯。在石墨烯獲得諾貝 爾獎(jiǎng)之前,碳納米管一直被認(rèn)為是最有可能代替硅的半導(dǎo)體材料,而如今,由于石墨

3、烯在全球范圍內(nèi)的狂熱,似乎有代替碳納米管之勢(shì),那么,石墨烯和碳納米管,究竟誰(shuí)能堪當(dāng)大任 呢?碳納米管集成電路的研發(fā)優(yōu)勢(shì)與發(fā)展現(xiàn)狀1991年,日本NEC公司的飯島澄男在高分辨透射電子顯微鏡下檢驗(yàn)石墨電弧設(shè)備中產(chǎn)生的球狀碳分子時(shí),意外發(fā)現(xiàn)了由碳分子組成的管狀同軸納米管,也就是現(xiàn)在被稱作的碳納米管CNT,又名巴基管。碳管材料具有極為優(yōu)秀的電學(xué)特性。 室溫下碳管的n型和p型載流子(電子和空穴)遷移 率對(duì)稱,均可以達(dá)到10000cm2/(V ? s)以上,遠(yuǎn)超傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料。另外碳管的直徑僅有 1 3nm,更容易被柵極電壓非常有效開啟和關(guān)斷。碳納米管相對(duì)于硅材料的優(yōu)點(diǎn):1)載流子輸運(yùn)是一維的。這意味著減

4、少了對(duì)載流子散射的相空間,開辟了彈道輸運(yùn)的 可能性。相應(yīng)地,功耗低。2)所有碳原子的化學(xué)鍵都是鏈接的,由此,沒有必要進(jìn)行化學(xué)鈍化工藝以消除類似存在于硅表面的懸掛鍵。這意味著碳納米管電子不一定非得使用二氧化硅絕緣體,高介電常數(shù)和晶體絕緣體都可以直接使用。3)強(qiáng)共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)能使碳納米管具有較高的機(jī)械穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性,且對(duì)電遷移有很好的抵抗力,可以承受的電流密度高達(dá)10A/cmo4)它們的關(guān)鍵尺寸,即直徑,是由化學(xué)反應(yīng)控制,而不是傳統(tǒng)的制造工藝。5)原則上,無(wú)論是有源器件(晶體管)還是互連聯(lián)結(jié)線,都可以分別由半導(dǎo)體屬性和金屬 屬性的碳納米管制成。(a)(b)斯坦福大學(xué)研究組采用如(a)所示的碳納米管陣

5、列制備出了如(b)所示的世界上第一個(gè)碳納米管計(jì)算機(jī);(c)主要功能單元的掃描電子顯微鏡像碳納米管半導(dǎo)體器件的研究進(jìn)展:CNTMOSFET2豉皐和碳期崇骨用技術(shù)發(fā)嶷比綾示意圖近年來(lái),基于碳納米管的碳基電子學(xué)研究取得了飛速發(fā)展,并逐漸從基礎(chǔ)研究轉(zhuǎn)向?qū)?際應(yīng)用。得益于材料自身的優(yōu)良性質(zhì)和世界范圍的政策和資金支持,研發(fā)人員在碳納米管的器件物理、器件制備、集成方法等方面都取得了相當(dāng)?shù)某删?,達(dá)到了其他納米材料從未達(dá)到過的高度。研究進(jìn)展表明碳基電子學(xué)器件相比傳統(tǒng)硅基器件具有510倍的速度和能耗優(yōu)勢(shì),可以實(shí)現(xiàn)5nm以下的半導(dǎo)體技術(shù)節(jié)點(diǎn),滿足 2020年之后新型半導(dǎo)體芯片的發(fā)展需求。研發(fā) 人員已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了具有各種

6、功能的基礎(chǔ)邏輯單元,原則上就可以利用這些邏輯單元制備出具有極高復(fù)雜程度的碳基集成電路。178個(gè)碳納米管晶體自然雜志于2013年發(fā)表了美國(guó)斯坦福大學(xué)的研究人員采用管制造出的的計(jì)算機(jī)原型。MIT技術(shù)評(píng)論于2014年報(bào)道了美國(guó)IBM公司表示將在2020年之前利用碳納米管制備出比現(xiàn)有芯片快5倍的半導(dǎo)體芯片。美國(guó)IBM公司于相關(guān)媒體發(fā)表的結(jié)果表明,基于碳納米管的半導(dǎo)體芯片在性能和能耗方面都比傳統(tǒng)硅基芯片有顯著改善:硅基半導(dǎo)體技術(shù)從 7nm縮減到5nm節(jié)點(diǎn),相應(yīng)的芯片性能大約有 20%的增加,而7 納米技術(shù)節(jié)點(diǎn)下的碳基半導(dǎo)體技術(shù)比硅基 7nm的性能提高300%,相當(dāng)15代硅基技術(shù)的改 善。這些進(jìn)展使半導(dǎo)體

7、產(chǎn)業(yè)界看到了碳基電子學(xué)時(shí)代的曙光,有望將性能持續(xù)提高的摩爾定 律延續(xù)到2050年。但是,碳納米管也有限制,人工制造的碳納米管是金屬特性和半導(dǎo)體特性的混合體.這2種屬性的碳納米管相互粘連”成繩索狀或束狀,使得碳納米管的用途大打折扣,因?yàn)橹挥?半導(dǎo)體特性的納米管才有晶體管性能?,F(xiàn)有的制備方法生產(chǎn)出的碳納米管均為各種手性和不同管徑的混合,手性和管徑的不同, 直接導(dǎo)致導(dǎo)電性質(zhì)的不同, 這使得碳納米管在大部分實(shí) 際應(yīng)用存在許多困難。彭練矛教授在接受采訪時(shí)透露,目前IBM在碳納米管研究方向上采用的是摻雜制備方法,而彭練矛與張志勇課題組采用的是無(wú)摻雜制備方法,這是全球首創(chuàng)的,他們課題組經(jīng)過10多年的研究,開

8、發(fā)出無(wú)摻雜制備方法,研制的 10納米碳納米管頂柵 CMOS場(chǎng)效應(yīng)晶體 管,其p型和n型器件在更低工作電壓(0.4V)下,性能均超過了目前最好的、在更高工作電 壓(0.7V)下工作的硅基 CMOS晶體管?,F(xiàn)在,他們又克服了尺寸縮小的工藝限制,成功開 發(fā)出5納米柵長(zhǎng)碳納米晶體管,其性能接近了由量子力學(xué)原理決定的理論極限。石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管的研究現(xiàn)狀和進(jìn)展石墨烯是一種維碳結(jié)構(gòu)材料,因?yàn)槠渚哂辛憬麕匦?,即使在室溫下載流子在石墨烯中的平均自由程和相干長(zhǎng)度也可為微米級(jí),所以是一種性能優(yōu)異的導(dǎo)電材料。石墨烯場(chǎng)效 應(yīng)器件最重要的挑戰(zhàn)之一是如何增加帶隙,而又不降低它非常高的遷移率。金懇種類:類:金n沉積方法:

9、介廣層遠(yuǎn)枳方法:村底種類;石墨烯晶體管與傳統(tǒng)的硅半導(dǎo)體晶體管相比,有以下特點(diǎn):(1) 在電場(chǎng)的調(diào)控下,石墨烯中的載流子類型能夠在電子和空穴間連續(xù)變化,具有雙極型導(dǎo)電性。因此 GFET無(wú)法像傳統(tǒng)半導(dǎo)體晶體管那樣被有效地關(guān)閉,不適于作邏鎮(zhèn)器件。但采取一些新型的結(jié)構(gòu)也能得到基于石墨締的高開關(guān)電流此的器件;(2) 石墨烯的載流子遷移率很高,而且可W被電場(chǎng)調(diào)控,在高頻領(lǐng)域,尤其在射頻(RF)領(lǐng)域中有很大的應(yīng)用潛力。(3) 石墨稀本身為二維材料, 有利于縮小電路尺寸和電路的集成。CVD制備的石墨烯可被轉(zhuǎn)移到任意襯底上, 有利于制備石墨烯與其他材料的異質(zhì)結(jié),研究新的物理現(xiàn)象和新的電子器件。石墨烯優(yōu)于碳納米管

10、的是,在制造碳納米管的工藝中,會(huì)生成金屬和半導(dǎo)體材料的碳納米管混合物,在制作復(fù)雜電路時(shí), 碳納米管必須經(jīng)過仔細(xì)篩選和定位,目前還沒有開發(fā)出非常好的方法,而這對(duì)石墨烯而言則要容易得多。這種獨(dú)特的電性能使石墨烯作為一種替代材料在許多新的領(lǐng)域得到應(yīng)用。高電子/空穴遷移率和對(duì)稱的能帶結(jié)構(gòu)使得石墨烯非常適合制作高頻晶體管,雖然石墨 烯導(dǎo)電能力極佳,但它缺乏能隙,即石墨烯中沒有電子態(tài)無(wú)法存在的禁帶”的能量范圍,限制了它作為開關(guān)器件方面的應(yīng)用,而石墨烯納米帶(GNR)可以打開石墨烯的能隙,因此,類半導(dǎo)體的GNR引起了人們的極大關(guān)注,激發(fā)科學(xué)家研制全石墨烯電路的廣泛興趣。據(jù)報(bào)導(dǎo),曼切斯特大學(xué) AndreGei

11、m小組,除了已開發(fā)出了 10nm級(jí)可實(shí)際運(yùn)行的石墨 烯晶體管外,他們尚未公布的最新研究成果還有, 已研制出長(zhǎng)寬均為1個(gè)分子的更小的石墨 烯晶體管,該石墨烯晶體管實(shí)際上是由單原子組成的晶體管。2008年IBM公司的Wats on研究中心在世界上率先制成低噪聲石墨烯晶體管。普通的納米器件隨著尺寸的減小,被稱做1/f的噪音會(huì)越來(lái)越明顯,使器件信噪比惡化,這種現(xiàn)象就是豪格規(guī)則(Hooge'sLaw) ”。石墨烯、碳納米管以及硅材料都會(huì)產(chǎn)生該現(xiàn)象,因此,如何減小1/f噪聲成為實(shí)現(xiàn)納米元件的關(guān)鍵問題之一。IBM通過重疊2層石墨烯,試制成功了晶體管。由于2層石墨烯之間生成了強(qiáng)電子結(jié)合,從而控制了 1

12、/f噪音。IBM公司的Ming-YuLin的該發(fā)現(xiàn)證明,2層石墨烯有望應(yīng)用于 各種各樣的領(lǐng)域。2008年5月美國(guó)喬治亞科技學(xué)院德希爾與麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室合作在單一芯片上 生成的幾百個(gè)石墨烯晶體管陣列。硅基的微計(jì)算機(jī)處理器在室溫條件下每秒鐘只能執(zhí)行一定數(shù)量的操作,然而電子穿過 石墨烯幾乎沒有任何阻力,所產(chǎn)生的熱量也非常少。此外,石墨烯本身就是一個(gè)良好的導(dǎo)熱 體,可以很快地散發(fā)熱量。由于具有優(yōu)異的性能,由石墨烯制造的電子產(chǎn)品運(yùn)行的速度要快 得多。石墨烯器件制成的計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度可達(dá)到太赫茲,即1X106kHz的1000倍,如果能進(jìn)一步開發(fā),其意義不言而喻。除了讓計(jì)算機(jī)運(yùn)行得更快,石墨烯器件還能用于需要高速工作的通信技術(shù)和成像技術(shù)。 有關(guān)專家認(rèn)為,石墨烯很可能首先應(yīng)用于高頻領(lǐng)域,如太赫茲波成像,用途之一是用來(lái)探測(cè)隱藏的武器。速度還不是石墨烯的唯一優(yōu)點(diǎn),硅不能分割成小于10nm的小片,否則其將失去誘人的電子性能。與硅相比,石墨烯分割成1nm小片時(shí),其基本物理性能并不改變,而且其電子性能還有可能異常發(fā)揮。結(jié)論1) 硅電子材料的發(fā)展已接近頂峰,碳納米管和石墨烯有比硅材料器件更小的尺寸和更 優(yōu)良的電學(xué)性質(zhì),很有可能在未來(lái)取代硅材料。2) 碳納米管性質(zhì)優(yōu)良而且發(fā)現(xiàn)較早,人們對(duì)其制取及構(gòu)建器件的方法的研

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