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- 石墨烯開辟半導體制造新思路

jolinzhe?來源:網絡整理?作者:佚名? 2017年05月06日 01:00 ? 次閱讀

作為新興材料,石墨烯能廣泛應用于燃料電池、材料改性、防銹防滑、海水淡化、軍事工業等多個領域,這已經是業界共識。事實上,由于在已知材料中電阻率最小、導熱系數最高,所以石墨烯被認為是最理想的電極和半導體材料,其最佳、最具潛力的應用是成為“硅”的替代品,用來制造超微型晶體管,生產未來的超級計算機。

眾所周知,過去幾十年,硅幾乎是制造芯片的唯一選擇,以硅為材料的各類型芯片在制程工藝上快要達到了物理極限(7納米),這極大的限制了各類計算芯片處理性能的提升。然而,科技永遠是在進步的,石墨烯的問世或許能有效的解決硅基材料的物理極限問題。那么,石墨烯在電極和半導體領域究竟能做哪些事情呢?

1、光電半導體產品。以其非常好的透光性、導電性和可彎曲性,在觸摸屏、可穿戴設備、OLED等領域中發揮作用。這也是目前公認最可能首先實現商業化的領域。

2、制造傳感器。石墨烯因其獨特的二維結構,且具有體積小、表面積大、靈敏度高、響應時間短等特點,能提升傳感器的各項性能。隨著物聯網和和可穿戴技術的不斷發展,未來對傳感器的需求將會越來越高,相信石墨烯能夠扮演不錯的角色。

3、微電子器件。由于物理極限的限制,石墨烯在未來的晶圓、計算芯片以及各類型的微電子器件中都能擔當大任,并發揮其獨特的性能。

舉例來說,目前主流的4G系統基站雖然已經采用了負責基帶處理的BBU+負責射頻的RRU通過光纖拉遠的架構,但由于機房站址資源日益稀缺和高成本,將BBU集中設置以節省機房的需求越來越強烈,同時也要求對基帶資源共享、集中調度等功能的實現。

由于基帶信號對帶寬和各項處理資源的消耗很大,現有芯片和背板處理速度根本無法實現更大規模的基帶資源集中調度和共享,同時在散熱、功耗等方面也面臨很大挑戰。

若采用石墨烯材料,不但芯片處理能力、數據交換速率能得到大幅提升,石墨烯良好的導熱、導電和耐溫特性也使得在散熱、功耗方面的要求降低,進而實現處理能力達到上萬載頻的集中式基帶資源池。

目前,不少研究機構和企業已經開始將石墨烯技術應用到半導體領域了。諸如,新加坡南洋理工大學開發的敏感度是普通傳感器1000倍的石墨烯光傳感器;美國哥倫比亞大學研發出的石墨烯-硅光電混合芯片;IBM研究人員開發出的石墨烯場效應晶體管等等,都為石墨烯在半導體領域的應用指明了方向。

難以預估的未來

石墨烯的剝離技術也可能在未來改變柔性電子元器件的發展進程。一般來說,晶圓都是非常堅硬的,與這些晶圓整合在一起的設備也是同樣的難以任意彎曲。Kim表示,使用這一技術,像太陽能和LED這樣的半導體設備在未來都可能任意彎曲和扭轉。

眾所周知,三星已經開始了可彎曲、可折疊智能手機的設計工作,像 LG 甚至是國產 OPPO 也都已經開始探索柔性顯示屏。三星目前呼聲最高,被認為 2019 年就能夠發布折疊手機,該機型將會是 Galaxy X 系列,主要得益于自家技術的柔性 OLED 顯示屏幕。

事實上并非如此,一款真正可彎曲或可折疊的智能手機,除了柔性屏幕之外還有很多技術問題需要解決,尤其是內部組件,包括電池、電路和嵌入到主板上的各種元器件等等,這些東西也都要實現柔性可彎曲才算得上真正靈活多變。雖然從技術角度上來說,實現柔性內部組件可能要等待很長一段時間,但確實已經有這方面的研發成果了。

事實上,該研究小組已經在麻省理工學院使用這一技術制造了一個柔性LED顯示屏,來演示這一技術的可行性。

“想象一下,如果你想在自己的汽車中安裝太陽能電池,但是現在的技術很難在汽車中安裝彎曲的太陽能電池,這一技術使得這成為了可能。”Kim表示。“未來這一技術可以在汽車上做涂層或者是整合到衣服中去。”

未來,研究人員技術用這一技術設計“母片”,然后在這些母片上制作各種材料。

利用石墨烯材料,研究團隊希望能夠制造出更多高性能的設備。目前,他們還在研究將這一技術應用到半導體設備和復合結構中去。

“現在,使用特殊的材料成為一種趨勢。”Kim表示,“以后,再也不需要擔心芯片的成本了。使用這一技術,在母片上生成半導體設備,然后剝離之后重新使用,極大的降低了成本。”

目前這一技術有麻省理工學院和LG電子研究中心合作的項目進行支持。

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