氮化鉭OUT了 石墨烯作為保護層的時代已經(jīng)到來
石墨烯是單層碳原子,分布在強壯但是稀薄的晶格上。斯坦福大學(xué)電氣工程師H.-S. Philip Wong說,這種用石墨烯包裝導(dǎo)線的晶體管的特性使得數(shù)據(jù)交換的速度可能比當前更快。隨著晶體管的體積不斷縮小,石墨烯的優(yōu)勢在未來將變得更明顯。
圖片說明:Ir(111)上石墨烯通過隧道顯微鏡(STM,Scanning tunnelling microscopy)掃描的圖像,圖像大小為15 nm 15 nm。圖片來源:ESRF
典型的計算機芯片包括數(shù)以百萬計的晶體管與廣泛的銅線網(wǎng)絡(luò)。雖然芯片導(dǎo)線相比家用電線又短又薄,但是二者有一個共同點:銅絲都用保護套包裹著。
多年來,氮化鉭材料被用于制作芯片導(dǎo)線的保護層。
目前,斯坦福大學(xué)(Stanford University)主導(dǎo)的實驗表明,另一種保護材料--石墨烯,可以使得電子更快速地通過微小的銅導(dǎo)線。
石墨烯是單層碳原子,分布在強壯但是稀薄的晶格上。斯坦福大學(xué)電氣工程師H.-S. Philip Wong說,這種用石墨烯包裝導(dǎo)線的晶體管的特性使得數(shù)據(jù)交換的速度可能比當前更快。隨著晶體管的體積不斷縮小,石墨烯的優(yōu)勢在未來將變得更明顯。
他說:研究人員在芯片的所有其他組件方面已經(jīng)取得了巨大進步,然而直到最近在改善導(dǎo)線的性能方面還是沒有太大進展。
Wong領(lǐng)導(dǎo)一個6人團隊,其中包括來自威斯康星大學(xué)麥迪遜分校(University of Wisconsin-Madison)的兩名研究人員。他們將在京都舉行的超大規(guī)模集成技術(shù)和電路研討會上展示他們的發(fā)現(xiàn)。
Ling Li是斯坦福大學(xué)一名電氣工程專業(yè)的研究生,且是該論文的第一作者,她解釋了為什么改變連接電線的外部包裝可以對芯片性能產(chǎn)生如此重大的影響。
這個保護層具有雙重作用:既隔離銅和芯片上的硅,也用于導(dǎo)電。
對于硅芯片,晶體管就像可以通斷電子的微小通道,這種開關(guān)功能正是晶體管處理數(shù)據(jù)的過程。
一旦數(shù)據(jù)被處理后,晶體管間的銅線就會傳輸這些數(shù)據(jù)。
當前的絕緣材料氮化鉭,能阻止銅遷移到硅晶體管,并使其不能發(fā)揮作用。
為什么想到了石墨烯?
兩個原因,首先是電子元件體積日趨變小的需求。
當斯坦福大學(xué)團隊使用目前最薄的氮化鉭層來實現(xiàn)此絕緣功能時,他們發(fā)現(xiàn)該行業(yè)標準比石墨烯層厚八倍。
其次,石墨烯作為保護層的另一個優(yōu)勢是,區(qū)別芯片導(dǎo)線與家用電線的外部保護層工作機制的不同,而這是至關(guān)重要的。
家用電線外層的目的主要是絕緣,以防止觸電或火災(zāi)。
對于芯片而言,如果銅原子滲入硅,晶體管將停止工作。因此,芯片上的保護層是為了隔離銅和硅。
斯坦福大學(xué)的實驗表明,石墨烯可以實現(xiàn)此隔離的作用,同時還具有導(dǎo)電功能。其晶格結(jié)構(gòu)允許電子沿著導(dǎo)線直接從一個碳原子飛躍到另一個碳原子,同時能有效地將銅原子約束在銅導(dǎo)線內(nèi)。
石墨烯層擁有如此薄的厚度,以及隔離、導(dǎo)電的雙重作用,這些優(yōu)點使得這一新技術(shù)能在晶體管之間傳輸更多的數(shù)據(jù),從而提高芯片整體性能。
目前,該芯片的優(yōu)勢還不太明顯,石墨烯隔離器可以將線速從4%提高到17%,這取決于線的長度。
但隨著晶體管和導(dǎo)線的尺寸不斷縮小,超薄且具有導(dǎo)電性的石墨烯的優(yōu)勢將更明顯。斯坦福大學(xué)的工程師們預(yù)計,再過兩代,該技術(shù)能將線速提高到30%。
斯坦福大學(xué)的研究人員認為,更快的運行速度的希望將促使其他研究人員對導(dǎo)線的研究產(chǎn)生興趣,這也有助于人們將該技術(shù)引入實用。
石墨烯生長技術(shù),尤其是在芯片量產(chǎn)中直接在導(dǎo)線上生長石墨烯的技術(shù),是該技術(shù)中的一個重要部分。除了與同來自威斯康星大學(xué)的教授Michael Arnold合作外,Wong還借鑒了普渡大學(xué)(Purdue University)Zhihong Chen教授的想法。Wong注意到使用石墨烯作為隔離器的想法來自于美國康奈爾大學(xué)(Cornell University)教授Paul McEuen,他是這個領(lǐng)域的開拓者。加州大學(xué)河濱分校(University of California-Riverside)的Alexander Balandin對在芯片中使用石墨烯也作出了相當杰出的貢獻。
Wong說:長久以來,電子行業(yè)將受益于石墨烯的說法頗為盛行,而將石墨烯作為芯片中銅隔離層或許是將該預(yù)言變?yōu)楝F(xiàn)實的第一步。