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石墨烯電子材料在上海中試成功,推動我國碳基集成電路技術加速發展
來源:上觀新聞 | 作者:chnchip | 發布時間: 2021-02-03 | 268 次瀏覽 | 分享到:
       2010年,曼徹斯特大學兩位科學家因為對石墨烯的開創性研究獲得諾貝爾物理學獎。就是從那年起,中國科學院上海微系統與信息技術研究所開始研制這種材料。可謂“十年磨一劍”,如今,謝曉明研究員團隊在高質量石墨烯電子材料制備方面取得多項突破。2020年,這個項目榮獲上海市自然科學獎一等獎。
  
  為了讓這類材料盡快產業化,中科院上海微系統所與上海市石墨烯產業技術功能型平臺合作,已建成一個具有中試放大功能的創新實驗室。目前,這個實驗室實現了8英寸石墨烯單晶晶圓、鍺基石墨烯晶圓、超平銅鎳合金單晶晶圓等新材料的小批量生產,為國產新一代電子器件的研發奠定了基礎。
  
  石墨烯制造芯片有四大優勢
  
  集成電路產業發展至今,芯片的主要材料一直是硅片。遵循摩爾定律(在價格不變情況下,集成電路上可容納的元器件數目,每隔18—24個月增加一倍,性能也提升一倍),硅芯片的產業化工藝制程目前已縮小到5納米,工藝升級的難度越來越大。
  
  如何突破摩爾定律遇到的瓶頸?用新型碳材料取代硅基材料,是業界普遍看好的解決方案。石墨烯就是一種新型碳材料,它只有一個碳原子層厚度,強度極高,比表面積巨大,導熱導電性能優越。據謝曉明介紹,與硅基材料相比,將石墨烯材料用于制造芯片有四大優勢:一是單層石墨烯的厚度僅為0.27納米,在半導體工藝制程方面,遵循摩爾定律的發展潛力比硅基材料大得多;二是石墨烯的晶體結構讓自由電子遷移不受束縛,電子運行速度達到1/300光速,比硅芯片快100—1000倍;三是用石墨烯制造的處理器頻率有望達到1太赫茲以上,比硅芯片高100—1000倍;四是石墨烯可以制成柔性薄膜,讓電子產品能彎曲、更便攜。
  
  因為這些優越的性能,歐盟、美國、韓國等多個國家和地區都在石墨烯微電子技術領域進行了布局。如歐盟的“石墨烯旗艦計劃”總投資10億歐元,推動石墨烯電子學應用等技術研發。
  
  單晶晶圓生長創造世界紀錄
  
  然而,以石墨烯為代表的二維材料在替代傳統半導體材料道路上,也面臨著許多挑戰。就像制造硅芯片的原材料是一片片硅單晶晶圓,二維微電子材料的器件應用也需要制備出石墨烯晶圓。“高質量石墨烯單晶制備被譽為石墨烯材料‘皇冠上的明珠’。”中科院上海微系統所研究員吳天如說,“我們花10年工夫,終于掌握了石墨烯單晶晶圓可控制備技術,實現了4—8英寸單晶的小批量生產。”
  
  在國家科技重大專項、上海市科委項目支持下,謝曉明團隊解決了用籽晶制備單晶的技術難題,讓一個幾百微米大小的石墨烯籽晶在二維平面上生長。經過約2.5小時,籽晶能生長成1.5英寸大小的石墨烯單晶,生長速度和單晶尺寸都創造了世界紀錄。經過后期設計優化,這個團隊已能制備8英寸石墨烯單晶晶圓。
  
  中科院上海微系統所還在國際上首次實現了半導體鍺基石墨烯CVD(化學氣相沉積)制備,研制出4英寸鍺基石墨烯晶圓。這種材料與當前主流的集成電路制造工藝線有良好的兼容性。微系統所研制出的另一種二維材料名為六方氮化硼,它俗稱“白石墨烯”,與石墨烯結構類似,卻是絕緣體。這對“黑白搭檔”相互配合,既能提升材料綜合性能,又有利于開發出新的器件功能。
  
  迄今為止,中科院上海微系統所在石墨烯材料制備與器件應用領域已申請100余項專利,授權70余項,其中國際專利9項。
  
  功能型平臺加速產業化進程
  
  如何把這些國際一流的科研成果轉化為現實生產力?2019年9月,中科院上海微系統所與上海市石墨烯功能型平臺簽約合作,由后者的創新實驗室承擔中試工作,擴大石墨烯晶圓等產品的生產規模。
  
  作為上海市政府布局建設的研發與轉化功能型平臺之一,石墨烯功能型平臺屬于新型研發機構,以石墨烯應用需求為牽引,擁有技術創新、中試及產業化的核心服務能力;以“基地+基金+人才”模式集聚并配置技術、人才、資本市場等創新資源,培育石墨烯產業集群。
  
  “我們平臺上集聚了來自高校、科研院所的一批高水平科研團隊,他們有一個共同目標,就是讓實驗室成果通過中試放大和產業對接,轉化為成熟的產品。”上海市石墨烯功能型平臺董事長梁勇說。謝曉明團隊就是其中一個團隊,他們最看重的功能型平臺優勢有兩點:一是平臺有一批工程技術人員,可以參與中試研發,科研院所和高校往往缺少這類研發人員;二是平臺有豐富的產業資源,能為科研團隊對接一批企業,加快科技成果產業化進程。
  
  設在上海市石墨烯功能型平臺的謝曉明團隊創新實驗室,與其他科研團隊的創新實驗室毗鄰,具有中試放大功能。這些實驗室的面積都比較大,有不少大型設備,看上去像一個個廠房。“這個實驗室正在中試生產8英寸石墨烯單晶晶圓等多種產品。”吳天如說,“我們還想通過功能型平臺了解產業下游需求,早日實現產品的規模化應用。”
  
  在梁勇看來,功能型平臺在高新技術研發與轉化過程中可扮演重要角色。“功能型平臺采取公司化運營模式,科研項目入駐平臺后,科研團隊并不能得到人財物,但有望獲得未來產業化的收益,所以不是奔著產業化去的科學家根本不會來我們平臺。”作為一類新型研發機構,功能型平臺應秉承為科研團隊做好服務的理念,盡量保持中立地位,爭取通過功能疊加打通科技成果轉化“最后一公里”;在篩選入駐項目方面,應以技術成熟度為主要尺度,疊加技術先進性尺度。“希望通過這輪科技體制機制改革,既要讓上海功能型平臺保證公益性,管好用好政府資金;又要讓平臺通過市場化運營適當‘造血’,保證可持續發展。”
  
  推動碳基集成電路技術發展
  
  石墨烯電子材料的應用前景如何?據了解,一些基于石墨烯、用于數據通信的電子組件正在業界進行原型演示。其中,電子和光子組件已集成到傳輸系統中并經過驗證,可實現高速、低功耗的數據/電話通信。石墨烯光電探測器的光電模塊,可檢測從可見光到熱范圍的整個波段的光。因此,它們有望為夜視、光譜學和熱成像技術提供有成本競爭力的產業應用。此外,原子層薄的石墨烯材料可以充當各種物理參數(化學成分、濕度、溫度、應變等)的強大傳感器,這些單片感應平臺與射頻識別天線結合使用,能用作遠程可讀探測器。
  
  石墨烯晶圓在上海的小批量生產,為國產新一代電子器件的研發奠定了基礎。在石墨烯器件集成方面,這類產品已積累了很多國內外用戶。中科院、中電集團下屬單位利用滬研材料開展攻關,突破了石墨烯太赫茲探測器件、高性能射頻晶體管等電子器件的核心工藝。吳天如表示,這些前沿研究和成果轉化,有利于解決碳基電子器件實用化面臨的技術障礙,加速推動我國碳基集成電路技術的創新跨越式發展。


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