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日前,知名媒体EET报道,他们认为石墨烯芯片在未来将会成为延续摩尔定律的关键。他们认为,针对即将出现的新半导体制程节点,石墨烯将在其先进封装与互连材料方面发挥重要作用。在3D IC封装中,石墨烯可作为散热片,用于降低整体热阻,或作为EMI屏蔽,以降低串扰。美国15亿美元的电子复兴也将石墨烯列为重点关注方向。

石墨烯是一种二维晶体,人们常见的石墨是由一层层以蜂窝状有序排列的平面碳原子堆叠而形成的,石墨的层间作用力较弱,很容易互相剥离,形成薄薄的石墨片。当把石墨片剥成单层之后,这种只有一个碳原子厚度的单层就是石墨烯。

自从石墨烯在2003年被发现以来,研究者发现它具有优异的强度、导热性和导电性。最后一种性质使得这种材料非常适合用来制作电路中的微小接触点,但最理想是用石墨烯自己制成电子元件——特别是晶体管。

要做到这点,石墨烯不仅需要充当导体,也要有半导体的功能,这是电子元件需要进行的通断切换操作的关键。半导体由其带隙所定义的,带隙指的是激发一个电子,让它从不能导电的价带跃迁到可以导电的导带所需要的能量。带隙必须足够大,这样来使得晶体管开和关之间的状态才对比明显,这样它才能准确无误地处理信息。

常规的石墨烯是没有带隙的——它特殊的波纹状价带和导带实际上是连在一起的,这使得它更像是金属。尽管如此,科学家们试图分开这两个带。通过把石墨烯制造成奇特的形状,如带状,目前最高可以让带隙达到100meV,但这对电子工程应用来说还是太小了。

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相对于通过前端设计提升微结构来提高芯片性能,通过后端设计来提升主频显然更加简单粗暴,研发周期也更短(微结构研发一般要3年),更适合商业推广。

硅基材料集成电路主频越高,热量也随之提高,并最终撞上功耗墙。目前硅基芯片最高的频率是在液氮环境下实现的8.4G,日常使用的桌面芯片主频基本在3G到4G,笔记本电脑为了控制CPU功耗,主频普遍控制在2G到3G之间。

但如果使用石墨烯材料,那么结果就可能不同了。因为相对于现在普遍使用的硅基材料,石墨烯在室温下拥有10倍的高载流子迁移率,同时具有非常好的导热性能,芯片的主频理论上可以达到300G,并且有比硅基芯片更低的功耗——早在几年前,IBM在实验室中的石墨烯场效应晶体管主频达155G。

因此,在前端设计水平相当的情况下,使用石墨烯制造的芯片要比使用硅基材料的芯片性能强几十倍,随着技术发展,进一步挖掘潜力,性能可能会是传统硅基芯片的上百倍!同时还拥有更低的功耗。

石墨烯因其超薄结构以及优异的物理特性,在 FET 应用上展现出了优异的性能和诱人的应用前景. 如 Obradovic 等研究发现,与碳纳米管相比,石墨烯 FET 拥有更低的工作电压﹔Wang等所制备的栅宽 10nm 以下的石墨烯带 FET 的开关比达 10e7﹔Wu 等采用热蒸发 4H-SiC 外延生长的石墨烯制备的 FET,其电子和空穴迁移率分别为 5,400 和 4,400cm2/(V·s),比传统半导体材料如 SiC 和 Si 高很多﹔Lin 等制备出栅长为 350nm 的高性能石墨烯 FET,其载流子迁移率为 2700 cm2/(V·s),截止频率为 50 GHz,并在后续研究中进一步提高到 100 GHz﹔Liao 等所制备的石墨烯 FET 的跨导达 3.2 mS/μm,并获得了迄今为止最高的截止频率 300 GHz,远远超过了相同栅长的 Si-FET (~40GHz)。

然而, 由于石墨烯的本征能隙为零,并且在费米能级处其电导率不会像一般半导体一样降为零,而是达到一个最小值,这对于制造晶体管是致命的,为石墨烯始终处于“开”的状态。

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