石墨烯將在2024年取代CMOS半導(dǎo)體技術(shù)？

CMOS半導(dǎo)體技術(shù)將在2024年7nm制程時代面臨窘境，而石墨烯可望脫穎而出，成為用來取代這項技術(shù)的最佳選擇──這是根據(jù)近日于美國加州舉行的IEEE定制積體電路大會(CICC)一場專題演講上所發(fā)表的看法。

「石墨烯已經(jīng)展現(xiàn)出最終將取代矽晶微型晶片的多種可能了，但我個人認為最早還要再過十年，直到矽晶材料達到極限以后，我們才會看到石墨烯應(yīng)用出現(xiàn)?！姑绹鴨讨蝸喞砉W(xué)院(Georgia Institute of Technology)電子與電腦工程學(xué)教授James D. Meindl表示。他同時也是該校奈米技術(shù)研究中心的創(chuàng)始總監(jiān)，該研究中心致力于石墨烯的研究已有五年之久了。

在2024年時，矽晶 MOSFET 在可制造的通道長度以及可支援的絕緣閘厚薄方面將會達到瓶頸，Meindl援引國際半導(dǎo)體技術(shù)藍圖(ITRS)的預(yù)測表示。

在成為取代CMOS的替代材料之前，石墨烯也面臨著許多挑戰(zhàn)。「我們必須在石墨烯薄片上制造出數(shù)十億個電晶體，但我們目前所能制造的電晶體數(shù)量極少，」Meindl說。

英國曼徹斯特大學(xué)(University of Manchester )的研究人員們在2004年的一項研究中發(fā)現(xiàn)了這種新材料。這項獲得諾貝爾獎(Nobel Prize)的研究貢獻在于找到了一種可制造單層碳原子的新方法。Meindl回想，「當(dāng)時沒有人認為可以做到這一點，但對于讓單層碳原子以六角形蜂巢晶格完美排列后所能實現(xiàn)的應(yīng)用來說，那其實只是一個起點?！?/p>

截至目前為止，研究人員們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了至少兩種可用于制造石墨烯的技術(shù)了。他們還在這種材料中制造出一些「相當(dāng)粗糙」的有效電晶體。

相較于銅互連技術(shù)來說，石墨烯電晶體還具有更好的導(dǎo)電與導(dǎo)熱性，以及更高的載流量。用來制造MEMS時，石墨烯也非常具有吸引力，Meindl說。

「迄今為止，最令人印象深刻的石墨烯電晶體一直是RF電晶體」，例如用于500GHz類比訊號應(yīng)用的放大器，Meindl并接著說，「而石墨烯開關(guān)則由于其漏電流等多種原因限制，使其較難以制造。」

Meidl的實驗室正致力于研究如何制造出15nm線寬石墨帶的方法，使其作為能將石墨烯開關(guān)打造的像矽晶開關(guān)一樣快速且具功效的建構(gòu)基礎(chǔ)。但其主要挑戰(zhàn)在于制造出邊緣毫不受損的石墨帶，以避免導(dǎo)致材料正向特質(zhì)的退化。

截至目前為止，喬治亞理工學(xué)院各工程系所的近700名研究人員們已參訪了Meindl的實驗室并探索石墨烯材料。「我們的技術(shù)有趣之處在于它像工程學(xué)一樣廣泛，而且?guī)缀蹙秃臀锢砜茖W(xué)一樣廣泛了，」他說。

CICC大會議程中還包括一系列探討有線、無線和光通訊到時脈、PLL、ADC和功率元件等各種研究主題的論文發(fā)表。此外還包括討論 3D 晶片堆疊以及生物醫(yī)學(xué)技術(shù)等特殊議題。