您的位置 首页 科技热点

中科院攻克碳基半导体材料制备瓶颈,有望打

5月26日讯,北京元芯碳基集成电路研究院宣布,由该院中国科学院院士北京大学教授彭练矛和张志勇教授带领的团队,经过多年研究与实践,解决了长期困扰碳基半导体材料制备的瓶颈,如材料的纯度、密度与面积问题。

Science官网论文截图


相关研究成果以《用于高性能电子学的高密度半导体碳纳米管平行阵列》为题,2020年5月22日在线发表于《科学》(Science,第368卷6493期850~856页);电子学系2015级博士研究生刘力俊和北京元芯碳基集成电路研究院工程师韩杰为并列第一作者,张志勇和彭练矛为共同通讯作者。


碳纳米管集成电路批量化制备的前提是实现超高半导体纯度、顺排、高密度、大面积均匀的碳纳米管阵列薄膜。对于以往的制造工艺,这样的生产要求是难以达到的,材料问题的制约导致碳管晶体管和集成电路的实际性能远低于理论预期,成为碳管电子学领域所面临的最大的技术挑战。

大规模集成电路对碳管材料的要求


多年来,由于研究周期长、成果转化不确定以及碍于投资人压力,国外厂商均未能在碳管技术方面有所建树。制备出首个超越相似尺寸的硅基CMOS的器件和电路,一直都是基础制备材料领域的梦想。



什么是碳基材料?目前芯片的主要材料采用的是硅基材料的集成电路,这项技术长期被国外厂家垄断,中国每年进口芯片的花费堪比进口石油的花费,而锗、砷化钾、石墨烯等除了硅以外的材料做集成电路,一直是国外半导体前沿的技术。我国半导体芯片的\”国产化\”还有很长一条路要走。


相比于硅基材料,碳基材料的优势在于成本更低、功耗更小,效率更高。不少国家一直想研发碳基这样的材料代替硅基材料,而我国的碳基技术一直以来是行业的领头羊。


我国碳基技术制造的芯片的处理大数据的时候速度更快,并且至少节省30%的功耗,不仅在手机芯片领域,国防科技、卫星导航、气象监测、人工智能、医疗器械等多重领域都需要这项技术加持。


碳基材料的柔软性较好,适用于制作柔性器械,尤其是医疗领域。而在一些高辐射高温度的极端环境,采用碳基技术制造出的机器人将更好的代替人类执行危险系数更高的任务,至于个人应用上,碳基能够极大的延长智能手机的待机时间。


该研究院负责人称,若手机植入了碳基技术芯片,看视频时完全不用担心电量流失过快,至少能支持看9小时的电影。要知道目前续航能力再强的手机,绝对无法支持播放这样长时间的视频。


这项技术的突破,终于让我们在半导体行业的竞争中扳回一局,使得我国在半导体行业的影响力更进一步。虽然我国半导体行业还存在不少短板,但是我们相信总有一天这些短板会慢慢补齐,\”中国芯\”的梦想不只是说说而已。


目前,芯片绝大部分采用硅基材料的集成电路技术,该项技术被国外厂家长期垄断,国内电子产品所需要的芯片则大多数依赖进口。据统计,中国每年进口芯片的花费高达3000亿美元,甚至超过了进口石油的花费。


据彭练矛院士介绍,采用硅以外的材料做集成电路,包括锗、砷化钾、石墨烯和碳,一直是国外半导体前沿的技术。而碳基半导体则具有成本更低、功耗更小、效率更高的优势,更适合在不同领域的应用而成为更好的半导体材料选项。


另外,彭练矛院士指出,“我们的碳基半导体研究是代表世界领先水平的”。与国外硅基技术制造出来的芯片相比,我国碳基技术制造出来的芯片在处理大数据时不仅速度更快,而且至少节约30%的功耗。


图源:北京元芯碳基集成电路研究院


基于这种材料,批量制备出场效应晶体管和环形振荡器电路,100nm栅长碳管晶体管的峰值跨导和饱和电流分别达到0.9mS/μm和1.3mA/μm(VDD=1 V),室温下亚阈值摆幅为90mV/DEC。

高性能碳管晶体管


批量制备出五阶环形振荡器电路,成品率超过50%,最高振荡频率8.06GHz远超已发表的基于纳米材料的电路,且超越相似尺寸的硅基CMOS器件和电路。

碳管高速集成电路


目前,大到航空航天、金融保险、卫生医疗等领域,小到智能手机、家用电器等数码家电所使用芯片绝大部分采用硅基材料的集成电路技术,该项技术被国外厂家长期垄断,国内电子产品所需要的芯片则大多依赖进口。据统计,中国每年进口芯片的花费高达3000亿美元,甚至超过了进口石油的花费。


“采用硅以外的材料做集成电路,包括锗、砷化钾、石墨烯和碳,一直是国外半导体前沿的技术。而碳基半导体则具有成本更低、功耗更小、效率更高的优势,更适合在不同领域的应用而成为更好的半导体材料选项。我们的碳基半导体研究是代表世界领先水平的。”彭练矛院士说。


以企业应用为例:与国外硅基技术制造出来的芯片相比,我国碳基技术制造出来的芯片在处理大数据时不仅速度更快,而且至少节约30%的功耗。碳基技术在不久的将来可以应用于国防科技、卫星导航、气象监测、人工智能、医疗器械等多重领域。


由于碳基材质的特殊性,它能让电路做到像创可贴一样柔软,这样的柔性器械,如果应用于医疗领域将使患者拥有更加舒适的检查体验;因碳基材质特点,在一些高辐射、高温度的极端环境里,采用碳基技术制造出的机器人将更好的代替人类执行危险系数更高的任务;谈到个人应用:碳基技术若应用到智能手机上,因其拥有更低的功耗,将使待机时间更加延长。“现在我们用手机看电影3个小时的可能就没电了。若将手机植入碳基技术的芯片,至少可以看上9个小时的电影都不会断电,且手机开多少个程序都不会出现卡顿。”北京元芯碳基集成电路研究院研发部负责人许海涛说。


据悉,他们的这项研究成果已经被收录在今年5月22日的《科学》期刊“应用物理器件科技”栏目中,论文题目为《用于高性能电子学的高密度半导体碳纳米管平行阵列》,详细阐述了该团队最新发展的多次提纯和维度限制自组装方法,在四英寸基底上制备了密度高达120/微米、半导体纯度超过99.9999%、直径分布1.45±0.23 nm的碳纳米管平行阵列,并在此基础上首次实现了性能超越同等栅长硅基CMOS技数的晶体管和电路,突破了长期以来阻碍碳纳米管电子学发展的瓶颈。


据了解,碳基技术也是发达国家一直研发预替代硅基的新技术。由于我国碳基技术起步较早,目前的技术是基于二十年前彭练矛院士提出的无掺杂碳基CMOS技术发展而来,近年来取得了一系列突破性的进展,极大地提升了我国在世界半导体行业的话语权。中国在硅基芯片上的落后态势,有可能在未来的碳基芯片上得以改观。


文章来源:EEPTO


华创证券指出,目前芯片绝大部分采用硅基材料的集成电路技术,高端芯片技术被国外厂家长期垄断。据统计,中国每年进口芯片的花费高达3000亿美元,甚至超过了进口石油的花费。采用硅以外的材料做集成电路,包括锗、砷化钾、石墨烯和碳,一直是国外半导体前沿的技术。而碳基半导体则具有成本更低、功耗更小、效率更高的优势。“我们的碳基半导体研究是代表世界领先水平的。”彭练矛院士说。碳基技术在不久的将来可以应用于国防科技、卫星导航、气象监测、人工智能、医疗器械等多重领域。碳基技术若应用到智能手机上,因其拥有更低的功耗,将使待机时间大幅延长。


丹邦科技自主研发的多层柔性量子碳基半导体薄膜具有多层石墨烯结构,将在智能手机、柔性OLED新一代显示、柔性半导体器件、大功率器件、动力电池等领域广泛应用。公司是世界上唯一有能力生产大面积两面都有带隙碳基薄膜材料的企业。


楚江新材产品涵盖碳基、陶瓷基复合材料,全资子公司顶立科技具备第三代半导体材料碳化硅单晶从装备、材料到制品的一整套技术储备和产业化能力。


银龙股份旗下天津聚合碳基研究院专注于碳材料的研究及应用。

“;

热门文章

发表评论

您的电子邮箱地址不会被公开。 必填项已用*标注