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随着晶体管尺度的缩小,器件加工的均匀性问题变得越来越严重,其中最为重要的是器件的加工精度和掺杂均匀性的问题。采用传统的微电子加工技术,目前最好的加工精度约为 5nm。随着器件尺度的不断缩小,对应的晶体管通道的物理长度仅为十几纳米,场效应晶体管源漏电极之间的载流子通道的长度的不确定性将不再可以忽略不计,所以半导体材料中的掺杂均匀性问题将是另一个难以克服的问题。

这个领域的主流方向一直是沿用硅基技术的思路,即通过掺杂,例如 K 掺杂来制备石墨烯 n型器件,但结果都不尽如人意。其中主要的问题是石墨烯具有一个非常完美的结构,表面完全没有悬挂键,一般不和杂质原子成键,是自然的本征材料。采用与石墨烯结合较弱的 K原子掺杂结果一是不稳定,二是很难控制,不大可能满足高性能集成电路的要求。2005 年美国 Intel 公司 Chau 等人对纳米电子学的发展状况进行了总结, 他们对石墨烯基器件的主要结论是: 虽然其 p 型晶体管的性能远优于相应的硅基器件, 但其 n 型石墨烯晶体管的性能则远逊于相同尺寸的硅基器件。集成电路的发展要求性能匹配的 p 型和 n 型晶体管,n 型碳石墨烯晶体管性能的落后严重制约了石墨烯电子学的发展, 发展稳定的高性能 n 型石墨烯器件成了 2005 年之后石墨烯 CMOS 电路研究领域最重要的课题之一。

从目前石墨烯电子学已经取得的进展来看,至少有两个重要的方面是可以确认的。第一是石墨烯器件相对于硅基器件来说具有更好的特性,无论是速度、功耗还是可缩减性,而且可以被推进到 8nm 甚至 5nm 技术节点,这正是 2020 年之后数字电路的目标。第二是石墨烯的数字集成电路的方案是可行的。

在实验室人们已经实现各种功能的电路,原则上已经可以制备任意复杂的集成电路,特别是 2013 年 9月 26日美国斯坦福大学的研究人员在《Natures》杂志上报道采用碳纳米管制造出由 178 个晶体管组成的计算机原型。虽然目前这个原型机尚在功耗、速度方面不能和基于硅芯片模式的先进计算机比肩,但这项工作在国际上引起了巨大反响, 使得人们看到了碳基电子学时代初露的曙光。

IBM 发表的系统计算表明,石墨烯基的芯片不论在性能和功耗方面都将比硅基芯片有大幅改善。例如,从硅基 7 nm 到 5nm技术,芯片速度大约有 20%的增加。但石墨烯 7nm 技术较硅基 7nm 技术速度的提高高达 300%,相当 15 代硅基技术的改善。

目前石墨烯材料的主要挑战来源于规模生产面临的高可控性材料加工问题,即必须在绝缘衬底上定位生长出所需管径大小的半导体石墨烯。但是到目前为止,对石墨烯生长进行严格的控制还是没有实现。另一个问题是供应链的问题,硅的成本及稳定性的优势还在,芯片厂及封装厂谁愿意开第一枪,就让我们拭目以待。

金属波纹管:有了政策支持 就敢撸起袖子干
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钛是一种年轻的金属,直到20世纪40年代它才被人们认识并利用,由于它强度大,重量轻,抗腐蚀,既耐低温又耐高温,因而成了制造火箭、人造卫星、航天飞机、宇宙飞船理想的“太空金属”材料。凭借着独特而优越的性能,从诞生之初,钛就在航天舞台上大放异彩。

航天海鹰(哈尔滨)钛业有限公司(简称海鹰哈钛)就是一家研究和生产供航空、航天、船舶等行业使用的高端钛产品的高科技企业。据海鹰哈钛党委书记肖波介绍,公司在哈尔滨航天高技术创新产业园总投资16.75亿元建设了专门的钛产业园区,“整个园区分两期实施,一期项目现已完成全部建设并投入使用,可以达到年产钛合金铸件300吨、钛合金锻件及复杂类钣金件200吨的生产能力。”

日前,记者来到海鹰哈钛钛产业园区内,探索这神秘而奇妙的“钛世界”。

“这是飞行器的翼面,当飞行器超音速飞行时,它机翼的温度可以达到500℃,必须有一种又轻、又韧、又耐高温的材料来制造,而钛合金恰好能够满足这些要求。”“这是空气舵,它可以通过改变空气气流来调整飞行器的飞行方向,因为它在航天飞行器的表面,钛合金耐高温、抗腐蚀,最适合了。”

“这是波纹管,它相当于一个弹簧,可以实现弹性连接的功能,航天器飞行环境复杂,拉伸长度不一样,普通材料容易变形甚至断裂,而钛合金具有良好的强度、塑性和断裂韧性,正好匹配。”在海鹰哈钛钛产业园区,面对着一排银亮且形状各异的钛合金产品,海鹰哈钛专务赵鸿专业地讲解让记者大开眼界。

“钛”的本领如此高强,驯服它也并非易事。据赵鸿介绍,为提高生产能力,海鹰哈钛钛产业园建设之初就新建引入许多具有国家先进水平的钛合金生产加工设备。“我们一期项目就新建了钛合金铸造厂房、钛合金精密塑性成型厂房、钛合金机加厂房等,还新增近三百套工艺设备。”

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