石墨烯對比碳納米管材料

1、 石墨烯對比碳納米管材料2005年，國際半導(dǎo)體技術(shù)線路圖(ITRS)委員會首次明確指出在2020年前后硅基CMOS技術(shù)將達到其性能極限。后摩爾時代的集成電路技術(shù)的研究變得日趨急迫，很多人認為微電子工業(yè)在走到7納米技術(shù)節(jié)點之后可能不得不面臨放棄繼續(xù)使用硅材料作為晶體管導(dǎo)電溝道。在為數(shù)不多的可能替代材料中，碳基納米材料被公認為最有可能替代硅材料。2008年ITRS新興研究材料和新興研究器件工作組在考察了所有可能的硅基CMOS替代技術(shù)之后，明確向半導(dǎo)體行業(yè)推薦重點研究碳基電子學(xué)，作為未來510年顯現(xiàn)商業(yè)價值的下一代電子技術(shù)。美國國家科學(xué)基金委員會(NSF)十余年來除了在美國國家納米技術(shù)計劃中繼續(xù)對碳

2、納米材料和相關(guān)器件給予重點支持外，在2008年還專門啟動了“超過摩爾定律的科學(xué)與工程項目”，其中碳基電子學(xué)研究被列為重中之重。其后美國不斷加大對碳基電子學(xué)研究的投入，美國國家納米計劃從2010年開始將“2020年后的納米電子學(xué)”設(shè)置為3個重中之重的成名計劃(signatureinitiatives)之一。除美國外，歐盟和其他各國政府也高度重視碳納米材料和相關(guān)電子學(xué)的研究和開發(fā)應(yīng)用，布局和繼續(xù)搶占信息技術(shù)核心領(lǐng)域的制高點。碳納米管材料中，最有可能替代硅的有兩個，碳納米管和石墨烯。在石墨烯獲得諾貝爾獎之前，碳納米管一直被認為是最有可能代替硅的半導(dǎo)體材料，而如今，由于石墨烯在全球范圍內(nèi)的狂熱，似乎有

3、代替碳納米管之勢，那么，石墨烯和碳納米管，究竟誰能堪當(dāng)大任呢？碳納米管集成電路的研發(fā)優(yōu)勢與發(fā)展現(xiàn)狀1991年，日本NEC公司的飯島澄男在高分辨透射電子顯微鏡下檢驗石墨電弧設(shè)備中產(chǎn)生的球狀碳分子時，意外發(fā)現(xiàn)了由碳分子組成的管狀同軸納米管，也就是現(xiàn)在被稱作的碳納米管CNT，又名巴基管。碳管材料具有極為優(yōu)秀的電學(xué)特性。室溫下碳管的n型和p型載流子(電子和空穴)遷移率對稱，均可以達到10000cm2/(V?s)以上，遠超傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料。另外碳管的直徑僅有13nm,更容易被柵極電壓非常有效開啟和關(guān)斷。碳納米管相對于硅材料的優(yōu)點：載流子輸運是一維的。這意味著減少了對載流子散射的相空間，開辟了彈道輸運的可能

4、性。相應(yīng)地，功耗低。所有碳原子的化學(xué)鍵都是鏈接的，由此，沒有必要進行化學(xué)鈍化工藝以消除類似存在于硅表面的懸掛鍵。這意味著碳納米管電子不一定非得使用二氧化硅絕緣體，高介電常數(shù)和晶體絕緣體都可以直接使用。強共價鍵結(jié)構(gòu)能使碳納米管具有較高的機械穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，且對電遷移有很好的抵抗力，可以承受的電流密度高達1OA/cm。它們的關(guān)鍵尺寸，即直徑，是由化學(xué)反應(yīng)控制，而不是傳統(tǒng)的制造工藝。原則上，無論是有源器件(晶體管)還是互連聯(lián)結(jié)線，都可以分別由半導(dǎo)體屬性和金屬屬性的碳納米管制成。(b)natureAlignedCNT|IrSTFJ1斯坦福大學(xué)研究組采用如(a)所示的碳納米管陣列制備出了如(b)所示的

5、世界上第一個碳納米管計算機;(c)主要功能單元的掃描電子顯微鏡像碳納米管半導(dǎo)體器件的研究進展：22m3mS333圖2硅畢和破納米背LMUS技術(shù)發(fā)展比較示蕙圖CNTMOSFET-2mA/yrTiSS7?mV/dec近年來，基于碳納米管的碳基電子學(xué)研究取得了飛速發(fā)展，并逐漸從基礎(chǔ)研究轉(zhuǎn)向?qū)嶋H應(yīng)用。得益于材料自身的優(yōu)良性質(zhì)和世界范圍的政策和資金支持，研發(fā)人員在碳納米管的器件物理、器件制備、集成方法等方面都取得了相當(dāng)?shù)某删停_到了其他納米材料從未達到過的高度。研究進展表明碳基電子學(xué)器件相比傳統(tǒng)硅基器件具有510倍的速度和能耗優(yōu)勢，可以實現(xiàn)5nm以下的半導(dǎo)體技術(shù)節(jié)點，滿足2020年之后新型半導(dǎo)體芯片的發(fā)

6、展需求。研發(fā)人員已經(jīng)實現(xiàn)了具有各種功能的基礎(chǔ)邏輯單元，原則上就可以利用這些邏輯單元制備出具有極高復(fù)雜程度的碳基集成電路。自然雜志于2013年發(fā)表了美國斯坦福大學(xué)的研究人員采用178個碳納米管晶體管制造出的的計算機原型。MIT技術(shù)評論于2014年報道了美國IBM公司表示將在2020年之前利用碳納米管制備出比現(xiàn)有芯片快5倍的半導(dǎo)體芯片。美國IBM公司于相關(guān)媒體發(fā)表的結(jié)果表明，基于碳納米管的半導(dǎo)體芯片在性能和能耗方面都比傳統(tǒng)硅基芯片有顯著改善：硅基半導(dǎo)體技術(shù)從7nm縮減到5nm節(jié)點，相應(yīng)的芯片性能大約有20%的增加，而7納米技術(shù)節(jié)點下的碳基半導(dǎo)體技術(shù)比硅基7nm的性能提高300%，相當(dāng)15代硅基技術(shù)

7、的改善。這些進展使半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)界看到了碳基電子學(xué)時代的曙光，有望將性能持續(xù)提高的摩爾定律延續(xù)到2050年。但是，碳納米管也有限制，人工制造的碳納米管是金屬特性和半導(dǎo)體特性的混合體這2種屬性的碳納米管相互“粘連”成繩索狀或束狀，使得碳納米管的用途大打折扣，因為只有半導(dǎo)體特性的納米管才有晶體管性能?，F(xiàn)有的制備方法生產(chǎn)出的碳納米管均為各種手性和不同管徑的混合，手性和管徑的不同，直接導(dǎo)致導(dǎo)電性質(zhì)的不同，這使得碳納米管在大部分實際應(yīng)用存在許多困難。彭練矛教授在接受采訪時透露，目前IBM在碳納米管研究方向上采用的是摻雜制備方法，而彭練矛與張志勇課題組采用的是無摻雜制備方法，這是全球首創(chuàng)的，他們課題組經(jīng)過10

8、多年的研究，開發(fā)出無摻雜制備方法，研制的10納米碳納米管頂柵CMOS場效應(yīng)晶體管，其p型和n型器件在更低工作電壓(0.4V)下，性能均超過了目前最好的、在更高工作電壓(0.7V)下工作的硅基CMOS晶體管。現(xiàn)在，他們又克服了尺寸縮小的工藝限制，成功開發(fā)出5納米柵長碳納米晶體管，其性能接近了由量子力學(xué)原理決定的理論極限。石墨烯場效應(yīng)晶體管的研究現(xiàn)狀和進展石墨烯是一種二維碳結(jié)構(gòu)材料，因為其具有零禁帶特性，即使在室溫下載流子在石墨烯中的平均自由程和相干長度也可為微米級，所以是一種性能優(yōu)異的導(dǎo)電材料。石墨烯場效應(yīng)器件最重要的挑戰(zhàn)之一是如何增加帶隙，而又不降低它非常高的遷移率。WKW類；封底與石烯的界面

9、金臨種類；金屬遠積方法:金鼎芍E霆18的接融方式介康18種類；介KEJtS?方法；石區(qū)fit與介匪層的牌面介質(zhì)層石墨烯晶體管與傳統(tǒng)的硅半導(dǎo)體晶體管相比，有以下特點：在電場的調(diào)控下，石墨烯中的載流子類型能夠在電子和空穴間連續(xù)變化，具有雙極型導(dǎo)電性。因此GFET無法像傳統(tǒng)半導(dǎo)體晶體管那樣被有效地關(guān)閉，不適于作邏鎮(zhèn)器件。但采取一些新型的結(jié)構(gòu)也能得到基于石墨締的高開關(guān)電流此的器件；石墨烯的載流子遷移率很高，而且可W被電場調(diào)控，在高頻領(lǐng)域，尤其在射頻(RF)領(lǐng)域中有很大的應(yīng)用潛力。石墨稀本身為二維材料，有利于縮小電路尺寸和電路的集成。CVD制備的石墨烯可被轉(zhuǎn)移到任意襯底上，有利于制備石墨烯與其他材料的異

10、質(zhì)結(jié)，研究新的物理現(xiàn)象和新的電子器件。石墨烯優(yōu)于碳納米管的是，在制造碳納米管的工藝中，會生成金屬和半導(dǎo)體材料的碳納米管混合物，在制作復(fù)雜電路時，碳納米管必須經(jīng)過仔細篩選和定位，目前還沒有開發(fā)出非常好的方法，而這對石墨烯而言則要容易得多。這種獨特的電性能使石墨烯作為一種替代材料在許多新的領(lǐng)域得到應(yīng)用。高電子/空穴遷移率和對稱的能帶結(jié)構(gòu)使得石墨烯非常適合制作高頻晶體管，雖然石墨烯導(dǎo)電能力極佳，但它缺乏能隙，即石墨烯中沒有“電子態(tài)無法存在的禁帶”的能量范圍，限制了它作為開關(guān)器件方面的應(yīng)用，而石墨烯納米帶(GNR)可以打開石墨烯的能隙，因此，類半導(dǎo)體的GNR引起了人們的極大關(guān)注，激發(fā)科學(xué)家研制全石墨烯

11、電路的廣泛興趣。據(jù)報導(dǎo)，曼切斯特大學(xué)AndreGeim小組，除了已開發(fā)出了10nm級可實際運行的石墨烯晶體管外，他們尚未公布的最新研究成果還有，已研制出長寬均為1個分子的更小的石墨烯晶體管，該石墨烯晶體管實際上是由單原子組成的晶體管。2008年IBM公司的Watson研究中心在世界上率先制成低噪聲石墨烯晶體管。普通的納米器件隨著尺寸的減小，被稱做1/f的噪音會越來越明顯，使器件信噪比惡化，這種現(xiàn)象就是“豪格規(guī)則(HoogesLaw)”。石墨烯、碳納米管以及硅材料都會產(chǎn)生該現(xiàn)象，因此，如何減小1/f噪聲成為實現(xiàn)納米元件的關(guān)鍵問題之一。IBM通過重疊2層石墨烯，試制成功了晶體管。由于2層石墨烯之間

12、生成了強電子結(jié)合，從而控制了1/f噪音。IBM公司的Ming-YuLin的該發(fā)現(xiàn)證明，2層石墨烯有望應(yīng)用于各種各樣的領(lǐng)域。2008年5月美國喬治亞科技學(xué)院德希爾與麻省理工學(xué)院林肯實驗室合作在單一芯片上生成的幾百個石墨烯晶體管陣列。硅基的微計算機處理器在室溫條件下每秒鐘只能執(zhí)行一定數(shù)量的操作，然而電子穿過石墨烯幾乎沒有任何阻力，所產(chǎn)生的熱量也非常少。此外，石墨烯本身就是一個良好的導(dǎo)熱體，可以很快地散發(fā)熱量。由于具有優(yōu)異的性能，由石墨烯制造的電子產(chǎn)品運行的速度要快得多。石墨烯器件制成的計算機的運行速度可達到太赫茲，即1x106kHz的1000倍,如果能進一步開發(fā)，其意義不言而喻。除了讓計算機運行得更快，石墨烯器件還能用于需要高速工作的通信技術(shù)和成像技術(shù)。有關(guān)專家認為，石墨烯很可能首先應(yīng)用于高頻領(lǐng)域，如太赫茲波成像，用途之一是用來探測隱藏的武器。速度還不是石墨烯的唯一優(yōu)點，硅不能分割成小于10nm的小片，否則其將失去誘人的電子性能。與硅相比，石墨烯分割成1nm小片時，其基本物理性能并不改變，而且其電子性能還有可能異常發(fā)揮。結(jié)論硅電子材料的發(fā)展已接近頂峰，碳納米管和石墨烯有比硅材料器件更小的尺寸和更優(yōu)良的電學(xué)性質(zhì)，很有可能在未來取代硅材料。碳納米管性質(zhì)優(yōu)良而且發(fā)現(xiàn)較早，人們對其制取及構(gòu)建器件的方法的