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石墨烯单晶实现小批量国产,有望推动微电子技术变革
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来源:上观新闻 作者:俞陶然 2020-06-15 20:14
摘要:中科院上海微系统所计划今年9月完成实验室建设,中试生产8英寸石墨烯单晶晶圆等多种产品。

2010年,曼彻斯特大学两位科学家因为对石墨烯的开创性研究获得诺贝尔物理学奖。就是从那年起,中国科学院上海微系统与信息技术研究所开始研制这种材料。可谓“十年磨一剑”,如今,谢晓明研究员团队在高品质石墨烯电子材料制备方面取得多项突破,近日获得上海市自然科学奖一等奖。

为了让这类材料尽快产业化,中科院上海微系统所与上海市石墨烯产业技术功能型平台合作,通过建设创新实验室,实现8英寸石墨烯单晶晶圆、4英寸锗基石墨烯晶圆、大面积六方氮化硼介质薄膜的中试生产。谢晓明团队还与国内、国际多家单位合作,实现了石墨烯在微电子、能源、生物医学等领域的应用。

石墨烯制造芯片有四大优势

集成电路产业发展至今,芯片的主要材料一直是硅片。遵循摩尔定律(在价格不变情况下,集成电路上可容纳的元器件数目,每隔18—24个月增加一倍,性能也提升一倍),硅芯片的产业化工艺制程目前已缩小到5纳米,工艺升级的难度越来越大。

如何突破摩尔定律遇到的瓶颈?用新型碳材料取代硅基材料,是业界普遍看好的解决方案。石墨烯就是一种新型碳材料,它只有一个碳原子层厚度,强度极高,比表面积巨大,导热导电性能优越。据谢晓明介绍,与硅基材料相比,将石墨烯材料用于制造芯片有四大优势:一是单层石墨烯的厚度仅为0.27纳米,在半导体工艺制程方面,遵循摩尔定律的发展潜力比硅基材料大得多;二是石墨烯的晶体结构让自由电子迁移不受束缚,电子运行速度达到1/300光速,比硅芯片快100—1000倍;三是用石墨烯制造的处理器频率有望达到1太赫兹以上,比硅芯片高100—1000倍;四是石墨烯可以制成柔性薄膜,让电子产品能弯曲、更便携。

因为这些优越的性能,欧盟、美国、韩国等多个国家和地区都在石墨烯微电子技术领域进行了布局。如欧盟的“石墨烯旗舰计划”总投资10亿欧元,推动石墨烯电子学应用等技术研发。

单晶晶圆生长创造世界纪录

然而,以石墨烯为代表的二维材料在替代传统半导体材料道路上,也面临着许多挑战。就像制造硅芯片的原材料是一片片硅单晶晶圆,二维微电子材料的器件应用也需要制备出石墨烯晶圆。“高质量石墨烯单晶制备被誉为石墨烯材料‘皇冠上的明珠’。”中科院上海微系统所研究员吴天如说,“我们花10年工夫,终于掌握了石墨烯单晶晶圆可控制备技术,实现了4—8英寸单晶的小批量生产。”

在国家科技重大专项、上海市科委项目支持下,谢晓明团队解决了用籽晶制备单晶的技术难题,让一个几百微米大小的石墨烯籽晶在二维平面上生长。经过约2.5小时,籽晶能生长成1.5英寸大小的石墨烯单晶,生长速度和单晶尺寸都创造了世界纪录。经过后期设计优化,这个团队已能制备8英寸石墨烯单晶晶圆。

中科院上海微系统所还在国际上首次实现了半导体锗基石墨烯CVD(化学气相沉积)制备,研制出4英寸锗基石墨烯晶圆。这种材料与当前主流的集成电路制造工艺线有良好的兼容性。微系统所研制出的另一种二维材料名为六方氮化硼,它俗称“白石墨烯”,与石墨烯结构类似,却是绝缘体。这对“黑白搭档”相互配合,既能提升材料综合性能,又有利于开发出新的器件功能。

迄今为止,中科院上海微系统所在石墨烯材料制备与器件应用领域已申请100余项专利,授权70余项,其中国际专利9项。

功能型平台加速产业化进程

如何把这些国际一流的科研成果转化为现实生产力?去年9月,中科院上海微系统所与上海市石墨烯功能型平台签约合作,由后者的创新实验室承担中试工作,扩大石墨烯晶圆等产品的生产规模。

作为上海市政府布局建设的研发与转化功能型平台之一,石墨烯功能型平台属于新型研发机构,以石墨烯应用需求为牵引,拥有技术创新、中试及产业化的核心服务能力;以“基地+基金+人才”模式集聚并配置技术、人才、资本市场等创新资源,培育石墨烯产业集群。

“我们平台上集聚了来自高校、科研院所的一批高水平科研团队,他们有一个共同目标,就是让实验室成果通过中试放大和产业对接,转化为成熟的产品。”上海市石墨烯功能型平台董事长梁勇说。谢晓明团队就是其中一个团队,他们最看重的功能型平台优势有两点:一是平台有一批工程技术人员,可以参与中试研发,科研院所和高校往往缺少这类研发人员;二是平台有丰富的产业资源,能为科研团队对接一批企业,加快科技成果产业化进程。

目前,谢晓明团队的创新实验室正在加紧建设。这个具有中试放大功能的实验室设在上海市石墨烯功能型平台,与其他科研团队的创新实验室毗邻。它们都面积颇大,有不少大型设备,看上去像一个个厂房。“我们计划今年9月完成实验室建设,中试生产8英寸石墨烯单晶晶圆等多种产品。”吴天如说,“我们还想通过平台了解产业下游需求,早日实现产品的规模化应用。”

在梁勇董事长看来,功能型平台在高新技术研发与转化过程中可扮演重要角色。“功能型平台采取公司化运营模式,科研项目入驻平台后,科研团队并不能得到人财物,但有望获得未来产业化的收益,所以不是奔着产业化去的科学家根本不会来我们平台。”作为一类新型研发机构,功能型平台应秉承为科研团队做好服务的理念,尽量保持中立地位,争取通过功能叠加打通科技成果转化“最后一公里”;在筛选入驻项目方面,应以技术成熟度为主要尺度,叠加技术先进性尺度。“希望通过这轮科技体制机制改革,既要让上海功能型平台保证公益性,管好用好政府资金;又要让平台通过市场化运营适当‘造血’,保证可持续发展。”

栏目主编:黄海华 文字编辑:俞陶然 题图来源:俞陶然 摄
图片摄影:俞陶然
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