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碳晶片技術準備邁向商業化

上網時間: 2009年07月08日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:    半導體 

為各種有機化合物基礎成分的(cabon),注定將取代它在化學元素週期表的樓下鄰居(Si)成為未來半導體元件的材料首選?無論是哪種結構,碳在散熱、頻率範圍甚至超導電性的表現上都優於矽。

市場研究機構Gartner資深分析師Dean Freeman認為,在碳科技中已經最接近商業化的,就是發展時間已經超過15年的鑽石。鑽石是三維架構的碳,根據供應矽晶圓片上40奈米(nm)~15微米(micron)鑽石薄膜的廠商指出,其散熱效率是矽的10倍。

二維架構的碳,是厚度3埃(angstrom)的單分子層,又稱為石墨烯(graphene),則可藉由比矽高十倍的電子遷移率,達到兆兆赫(terahertz)等級的頻率表現。至於一維架構的碳,則是直徑1nm的奈米管(nanotube),其超越矽的特長則在於速度,可達到有機電晶體的10倍。

還有零維架構的碳,是一種60個原子大小的中空球體,稱為富勒烯(fullerenes);這種材料則能解決矽無法達到高溫超導體的問題。與鹼金屬(alkali-metal)原子插層(Intercalation)排列、緊密封裝的富勒烯,能在38K溫度下達到超導。

在接下來的幾年內,碳製程技術就可能取代幾乎所有的電路材料,例如互連元件用的導體、我們熟知的半導體,以及隔離裝置用的絕緣體。但產業界最快何時會開始大量使用碳材料,特別是在眼前不明朗的經濟情勢下,還有待觀察。

Gartner的Freeman指出,有兩家美國公司Nantero與SVTC曾合作為無晶圓廠IC供應商提供業界首創的奈米管薄膜開發代工服務,旨在為商業CMOS晶片添加奈米管薄膜製做的高性能導線。Nantero雖已用碳奈米管開發出數款元件,卻找不到有意將這些元件商業化的客戶。

「碳奈米管已經被22奈米製程以下的CMOS元件,視為最可行的導線材料;這意味著還需要至少五年才會看到其商業化。」Freeman表示。

包括杜邦(DuPont)等大公司也開發過碳奈米管薄膜,NEC還曾將其實際應用在採用軟性塑膠基板的電子元件上。還有Nanocomp等公司則是將奈米管嵌入碳纖維板中,可感測裂縫或是其他的結構缺陷;此外正在開發的奈米管纜線不但在導電性上媲美銅,重量還能減輕80%。

正在公司內部主導碳電晶體技術研究的IBM院士Phaedon Avouris則表示,奈米碳管已經被用來製造導電、散熱性更好的各種材料,而他認為在軟性基板上製造具備微米級通道的薄膜電晶體,會是奈米碳管的首度商業化應用。

碳電子元件的開發者並不是打算跟發展成熟的矽半導體技術打對台,而是希望創造出一個具備全新電子功能的族系;從讓人憶起舊時大型矽電晶體的微米尺寸元件開始。

現在已有美國業者廠商如Applied Nanotech開發出印刷式的奈米管墨水(ink),可搭配如Optomec等公司提供、採用非接觸式懸浮微粒噴墨印刷機的低溫沉積系統;這些成本低廉的生產設備能鎖定諸如塑膠太陽能電池、RFID標籤等對價格敏感的市場。

(更多碳科技發展詳情可參考原文:Carbon chip technology goes commercial,by R. Colin Johnson)





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