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石墨烯電子材料在上海中試成功，推動(dòng)我國(guó)碳基集成電路技術(shù)加速發(fā)展
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作者:chnchip
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發(fā)布時(shí)間: 2021-02-03
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2010年，曼徹斯特大學(xué)兩位科學(xué)家因?yàn)閷?duì)石墨烯的開(kāi)創(chuàng)性研究獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。就是從那年起，中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所開(kāi)始研制這種材料?？芍^“十年磨一劍”，如今，謝曉明研究員團(tuán)隊(duì)在高質(zhì)量石墨烯電子材料制備方面取得多項(xiàng)突破。2020年，這個(gè)項(xiàng)目榮獲上海市自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。
為了讓這類材料盡快產(chǎn)業(yè)化，中科院上海微系統(tǒng)所與上海市石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)功能型平臺(tái)合作，已建成一個(gè)具有中試放大功能的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室。目前，這個(gè)實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了8英寸石墨烯單晶晶圓、鍺基石墨烯晶圓、超平銅鎳合金單晶晶圓等新材料的小批量生產(chǎn)，為國(guó)產(chǎn)新一代電子器件的研發(fā)奠定了基礎(chǔ)。
石墨烯制造芯片有四大優(yōu)勢(shì)
集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展至今，芯片的主要材料一直是硅片。遵循摩爾定律（在價(jià)格不變情況下，集成電路上可容納的元器件數(shù)目，每隔18—24個(gè)月增加一倍，性能也提升一倍），硅芯片的產(chǎn)業(yè)化工藝制程目前已縮小到5納米，工藝升級(jí)的難度越來(lái)越大。
如何突破摩爾定律遇到的瓶頸？用新型碳材料取代硅基材料，是業(yè)界普遍看好的解決方案。石墨烯就是一種新型碳材料，它只有一個(gè)碳原子層厚度，強(qiáng)度極高，比表面積巨大，導(dǎo)熱導(dǎo)電性能優(yōu)越。據(jù)謝曉明介紹，與硅基材料相比，將石墨烯材料用于制造芯片有四大優(yōu)勢(shì)：一是單層石墨烯的厚度僅為0.27納米，在半導(dǎo)體工藝制程方面，遵循摩爾定律的發(fā)展?jié)摿Ρ裙杌牧洗蟮枚?；二是石墨烯的晶體結(jié)構(gòu)讓自由電子遷移不受束縛，電子運(yùn)行速度達(dá)到1/300光速，比硅芯片快100—1000倍；三是用石墨烯制造的處理器頻率有望達(dá)到1太赫茲以上，比硅芯片高100—1000倍；四是石墨烯可以制成柔性薄膜，讓電子產(chǎn)品能彎曲、更便攜。
因?yàn)檫@些優(yōu)越的性能，歐盟、美國(guó)、韓國(guó)等多個(gè)國(guó)家和地區(qū)都在石墨烯微電子技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行了布局。如歐盟的“石墨烯旗艦計(jì)劃”總投資10億歐元，推動(dòng)石墨烯電子學(xué)應(yīng)用等技術(shù)研發(fā)。
單晶晶圓生長(zhǎng)創(chuàng)造世界紀(jì)錄
然而，以石墨烯為代表的二維材料在替代傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料道路上，也面臨著許多挑戰(zhàn)。就像制造硅芯片的原材料是一片片硅單晶晶圓，二維微電子材料的器件應(yīng)用也需要制備出石墨烯晶圓。“高質(zhì)量石墨烯單晶制備被譽(yù)為石墨烯材料‘皇冠上的明珠’。”中科院上海微系統(tǒng)所研究員吳天如說(shuō)，“我們花10年工夫，終于掌握了石墨烯單晶晶圓可控制備技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了4—8英寸單晶的小批量生產(chǎn)?！?/span>
在國(guó)家科技重大專項(xiàng)、上海市科委項(xiàng)目支持下，謝曉明團(tuán)隊(duì)解決了用籽晶制備單晶的技術(shù)難題，讓一個(gè)幾百微米大小的石墨烯籽晶在二維平面上生長(zhǎng)。經(jīng)過(guò)約2.5小時(shí)，籽晶能生長(zhǎng)成1.5英寸大小的石墨烯單晶，生長(zhǎng)速度和單晶尺寸都創(chuàng)造了世界紀(jì)錄。經(jīng)過(guò)后期設(shè)計(jì)優(yōu)化，這個(gè)團(tuán)隊(duì)已能制備8英寸石墨烯單晶晶圓。
中科院上海微系統(tǒng)所還在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了半導(dǎo)體鍺基石墨烯CVD（化學(xué)氣相沉積）制備，研制出4英寸鍺基石墨烯晶圓。這種材料與當(dāng)前主流的集成電路制造工藝線有良好的兼容性。微系統(tǒng)所研制出的另一種二維材料名為六方氮化硼，它俗稱“白石墨烯”，與石墨烯結(jié)構(gòu)類似，卻是絕緣體。這對(duì)“黑白搭檔”相互配合，既能提升材料綜合性能，又有利于開(kāi)發(fā)出新的器件功能。
迄今為止，中科院上海微系統(tǒng)所在石墨烯材料制備與器件應(yīng)用領(lǐng)域已申請(qǐng)100余項(xiàng)專利，授權(quán)70余項(xiàng)，其中國(guó)際專利9項(xiàng)。
功能型平臺(tái)加速產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程
如何把這些國(guó)際一流的科研成果轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力？2019年9月，中科院上海微系統(tǒng)所與上海市石墨烯功能型平臺(tái)簽約合作，由后者的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)中試工作，擴(kuò)大石墨烯晶圓等產(chǎn)品的生產(chǎn)規(guī)模。
作為上海市政府布局建設(shè)的研發(fā)與轉(zhuǎn)化功能型平臺(tái)之一，石墨烯功能型平臺(tái)屬于新型研發(fā)機(jī)構(gòu)，以石墨烯應(yīng)用需求為牽引，擁有技術(shù)創(chuàng)新、中試及產(chǎn)業(yè)化的核心服務(wù)能力；以“基地+基金+人才”模式集聚并配置技術(shù)、人才、資本市場(chǎng)等創(chuàng)新資源，培育石墨烯產(chǎn)業(yè)集群。
“我們平臺(tái)上集聚了來(lái)自高校、科研院所的一批高水平科研團(tuán)隊(duì)，他們有一個(gè)共同目標(biāo)，就是讓實(shí)驗(yàn)室成果通過(guò)中試放大和產(chǎn)業(yè)對(duì)接，轉(zhuǎn)化為成熟的產(chǎn)品?！鄙虾Ｊ惺┕δ苄推脚_(tái)董事長(zhǎng)梁勇說(shuō)。謝曉明團(tuán)隊(duì)就是其中一個(gè)團(tuán)隊(duì)，他們最看重的功能型平臺(tái)優(yōu)勢(shì)有兩點(diǎn)：一是平臺(tái)有一批工程技術(shù)人員，可以參與中試研發(fā)，科研院所和高校往往缺少這類研發(fā)人員；二是平臺(tái)有豐富的產(chǎn)業(yè)資源，能為科研團(tuán)隊(duì)對(duì)接一批企業(yè)，加快科技成果產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。
設(shè)在上海市石墨烯功能型平臺(tái)的謝曉明團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室，與其他科研團(tuán)隊(duì)的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室毗鄰，具有中試放大功能。這些實(shí)驗(yàn)室的面積都比較大，有不少大型設(shè)備，看上去像一個(gè)個(gè)廠房?！斑@個(gè)實(shí)驗(yàn)室正在中試生產(chǎn)8英寸石墨烯單晶晶圓等多種產(chǎn)品?！眳翘烊缯f(shuō)，“我們還想通過(guò)功能型平臺(tái)了解產(chǎn)業(yè)下游需求，早日實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的規(guī)模化應(yīng)用?！?/span>
在梁勇看來(lái)，功能型平臺(tái)在高新技術(shù)研發(fā)與轉(zhuǎn)化過(guò)程中可扮演重要角色。“功能型平臺(tái)采取公司化運(yùn)營(yíng)模式，科研項(xiàng)目入駐平臺(tái)后，科研團(tuán)隊(duì)并不能得到人財(cái)物，但有望獲得未來(lái)產(chǎn)業(yè)化的收益，所以不是奔著產(chǎn)業(yè)化去的科學(xué)家根本不會(huì)來(lái)我們平臺(tái)?！弊鳛橐活愋滦脱邪l(fā)機(jī)構(gòu)，功能型平臺(tái)應(yīng)秉承為科研團(tuán)隊(duì)做好服務(wù)的理念，盡量保持中立地位，爭(zhēng)取通過(guò)功能疊加打通科技成果轉(zhuǎn)化“最后一公里”；在篩選入駐項(xiàng)目方面，應(yīng)以技術(shù)成熟度為主要尺度，疊加技術(shù)先進(jìn)性尺度?！跋Ｍㄟ^(guò)這輪科技體制機(jī)制改革，既要讓上海功能型平臺(tái)保證公益性，管好用好政府資金；又要讓平臺(tái)通過(guò)市場(chǎng)化運(yùn)營(yíng)適當(dāng)‘造血’，保證可持續(xù)發(fā)展?！?/span>
推動(dòng)碳基集成電路技術(shù)發(fā)展
石墨烯電子材料的應(yīng)用前景如何？據(jù)了解，一些基于石墨烯、用于數(shù)據(jù)通信的電子組件正在業(yè)界進(jìn)行原型演示。其中，電子和光子組件已集成到傳輸系統(tǒng)中并經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，可實(shí)現(xiàn)高速、低功耗的數(shù)據(jù)/電話通信。石墨烯光電探測(cè)器的光電模塊，可檢測(cè)從可見(jiàn)光到熱范圍的整個(gè)波段的光。因此，它們有望為夜視、光譜學(xué)和熱成像技術(shù)提供有成本競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。此外，原子層薄的石墨烯材料可以充當(dāng)各種物理參數(shù)（化學(xué)成分、濕度、溫度、應(yīng)變等）的強(qiáng)大傳感器，這些單片感應(yīng)平臺(tái)與射頻識(shí)別天線結(jié)合使用，能用作遠(yuǎn)程可讀探測(cè)器。
石墨烯晶圓在上海的小批量生產(chǎn)，為國(guó)產(chǎn)新一代電子器件的研發(fā)奠定了基礎(chǔ)。在石墨烯器件集成方面，這類產(chǎn)品已積累了很多國(guó)內(nèi)外用戶。中科院、中電集團(tuán)下屬單位利用滬研材料開(kāi)展攻關(guān)，突破了石墨烯太赫茲探測(cè)器件、高性能射頻晶體管等電子器件的核心工藝。吳天如表示，這些前沿研究和成果轉(zhuǎn)化，有利于解決碳基電子器件實(shí)用化面臨的技術(shù)障礙，加速推動(dòng)我國(guó)碳基集成電路技術(shù)的創(chuàng)新跨越式發(fā)展。
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珠海市中芯集成電路有限公司是一家專業(yè)從事集成電路后序加工的高科技電子公司，可以為客戶提供晶圓測(cè)試（wafer testing）、晶圓切割Dicing Saw（半切及貼膜全切） 、晶圓研磨減薄（wafer back grinding）、成品測(cè)試及tcp/cof/cob封裝等全方位的服務(wù)。公司是中國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)會(huì)員，珠海市軟件行業(yè)協(xié)會(huì)副會(huì)長(zhǎng)單位，獲授國(guó)家高新技術(shù)企業(yè)，廣東省“守合同重信用”企業(yè)，通過(guò)ISO 9001：2008和ISO 9001：2015體系認(rèn)證。中芯的行為準(zhǔn)則是“以客戶為中心，以質(zhì)量求生存，以服務(wù)求發(fā)展！”，希望通過(guò)我們的專業(yè)程度和不懈的努力，為客戶提供低成本、高品質(zhì)的產(chǎn)品。
為了讓這類材料盡快產(chǎn)業(yè)化，中科院上海微系統(tǒng)所與上海市石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)功能型平臺(tái)合作，已建成一個(gè)具有中試放大功能的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室。目前，這個(gè)實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了8英寸石墨烯單晶晶圓、鍺基石墨烯晶圓、超平銅鎳合金單晶晶圓等新材料的小批量生產(chǎn)，為國(guó)產(chǎn)新一代電子器件的研發(fā)奠定了基礎(chǔ)。
石墨烯制造芯片有四大優(yōu)勢(shì)
集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展至今，芯片的主要材料一直是硅片。遵循摩爾定律（在價(jià)格不變情況下，集成電路上可容納的元器件數(shù)目，每隔18—24個(gè)月增加一倍，性能也提升一倍），硅芯片的產(chǎn)業(yè)化工藝制程目前已縮小到5納米，工藝升級(jí)的難度越來(lái)越大。
如何突破摩爾定律遇到的瓶頸？用新型碳材料取代硅基材料，是業(yè)界普遍看好的解決方案。石墨烯就是一種新型碳材料，它只有一個(gè)碳原子層厚度，強(qiáng)度極高，比表面積巨大，導(dǎo)熱導(dǎo)電性能優(yōu)越。據(jù)謝曉明介紹，與硅基材料相比，將石墨烯材料用于制造芯片有四大優(yōu)勢(shì)：一是單層石墨烯的厚度僅為0.27納米，在半導(dǎo)體工藝制程方面，遵循摩爾定律的發(fā)展?jié)摿Ρ裙杌牧洗蟮枚?；二是石墨烯的晶體結(jié)構(gòu)讓自由電子遷移不受束縛，電子運(yùn)行速度達(dá)到1/300光速，比硅芯片快100—1000倍；三是用石墨烯制造的處理器頻率有望達(dá)到1太赫茲以上，比硅芯片高100—1000倍；四是石墨烯可以制成柔性薄膜，讓電子產(chǎn)品能彎曲、更便攜。
因?yàn)檫@些優(yōu)越的性能，歐盟、美國(guó)、韓國(guó)等多個(gè)國(guó)家和地區(qū)都在石墨烯微電子技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行了布局。如歐盟的“石墨烯旗艦計(jì)劃”總投資10億歐元，推動(dòng)石墨烯電子學(xué)應(yīng)用等技術(shù)研發(fā)。
單晶晶圓生長(zhǎng)創(chuàng)造世界紀(jì)錄
然而，以石墨烯為代表的二維材料在替代傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料道路上，也面臨著許多挑戰(zhàn)。就像制造硅芯片的原材料是一片片硅單晶晶圓，二維微電子材料的器件應(yīng)用也需要制備出石墨烯晶圓。“高質(zhì)量石墨烯單晶制備被譽(yù)為石墨烯材料‘皇冠上的明珠’。”中科院上海微系統(tǒng)所研究員吳天如說(shuō)，“我們花10年工夫，終于掌握了石墨烯單晶晶圓可控制備技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了4—8英寸單晶的小批量生產(chǎn)?！?/span>
在國(guó)家科技重大專項(xiàng)、上海市科委項(xiàng)目支持下，謝曉明團(tuán)隊(duì)解決了用籽晶制備單晶的技術(shù)難題，讓一個(gè)幾百微米大小的石墨烯籽晶在二維平面上生長(zhǎng)。經(jīng)過(guò)約2.5小時(shí)，籽晶能生長(zhǎng)成1.5英寸大小的石墨烯單晶，生長(zhǎng)速度和單晶尺寸都創(chuàng)造了世界紀(jì)錄。經(jīng)過(guò)后期設(shè)計(jì)優(yōu)化，這個(gè)團(tuán)隊(duì)已能制備8英寸石墨烯單晶晶圓。
中科院上海微系統(tǒng)所還在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了半導(dǎo)體鍺基石墨烯CVD（化學(xué)氣相沉積）制備，研制出4英寸鍺基石墨烯晶圓。這種材料與當(dāng)前主流的集成電路制造工藝線有良好的兼容性。微系統(tǒng)所研制出的另一種二維材料名為六方氮化硼，它俗稱“白石墨烯”，與石墨烯結(jié)構(gòu)類似，卻是絕緣體。這對(duì)“黑白搭檔”相互配合，既能提升材料綜合性能，又有利于開(kāi)發(fā)出新的器件功能。
迄今為止，中科院上海微系統(tǒng)所在石墨烯材料制備與器件應(yīng)用領(lǐng)域已申請(qǐng)100余項(xiàng)專利，授權(quán)70余項(xiàng)，其中國(guó)際專利9項(xiàng)。
功能型平臺(tái)加速產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程
如何把這些國(guó)際一流的科研成果轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力？2019年9月，中科院上海微系統(tǒng)所與上海市石墨烯功能型平臺(tái)簽約合作，由后者的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)中試工作，擴(kuò)大石墨烯晶圓等產(chǎn)品的生產(chǎn)規(guī)模。
作為上海市政府布局建設(shè)的研發(fā)與轉(zhuǎn)化功能型平臺(tái)之一，石墨烯功能型平臺(tái)屬于新型研發(fā)機(jī)構(gòu)，以石墨烯應(yīng)用需求為牽引，擁有技術(shù)創(chuàng)新、中試及產(chǎn)業(yè)化的核心服務(wù)能力；以“基地+基金+人才”模式集聚并配置技術(shù)、人才、資本市場(chǎng)等創(chuàng)新資源，培育石墨烯產(chǎn)業(yè)集群。
“我們平臺(tái)上集聚了來(lái)自高校、科研院所的一批高水平科研團(tuán)隊(duì)，他們有一個(gè)共同目標(biāo)，就是讓實(shí)驗(yàn)室成果通過(guò)中試放大和產(chǎn)業(yè)對(duì)接，轉(zhuǎn)化為成熟的產(chǎn)品?！鄙虾Ｊ惺┕δ苄推脚_(tái)董事長(zhǎng)梁勇說(shuō)。謝曉明團(tuán)隊(duì)就是其中一個(gè)團(tuán)隊(duì)，他們最看重的功能型平臺(tái)優(yōu)勢(shì)有兩點(diǎn)：一是平臺(tái)有一批工程技術(shù)人員，可以參與中試研發(fā)，科研院所和高校往往缺少這類研發(fā)人員；二是平臺(tái)有豐富的產(chǎn)業(yè)資源，能為科研團(tuán)隊(duì)對(duì)接一批企業(yè)，加快科技成果產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。
設(shè)在上海市石墨烯功能型平臺(tái)的謝曉明團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室，與其他科研團(tuán)隊(duì)的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室毗鄰，具有中試放大功能。這些實(shí)驗(yàn)室的面積都比較大，有不少大型設(shè)備，看上去像一個(gè)個(gè)廠房?！斑@個(gè)實(shí)驗(yàn)室正在中試生產(chǎn)8英寸石墨烯單晶晶圓等多種產(chǎn)品?！眳翘烊缯f(shuō)，“我們還想通過(guò)功能型平臺(tái)了解產(chǎn)業(yè)下游需求，早日實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的規(guī)模化應(yīng)用?！?/span>
在梁勇看來(lái)，功能型平臺(tái)在高新技術(shù)研發(fā)與轉(zhuǎn)化過(guò)程中可扮演重要角色。“功能型平臺(tái)采取公司化運(yùn)營(yíng)模式，科研項(xiàng)目入駐平臺(tái)后，科研團(tuán)隊(duì)并不能得到人財(cái)物，但有望獲得未來(lái)產(chǎn)業(yè)化的收益，所以不是奔著產(chǎn)業(yè)化去的科學(xué)家根本不會(huì)來(lái)我們平臺(tái)?！弊鳛橐活愋滦脱邪l(fā)機(jī)構(gòu)，功能型平臺(tái)應(yīng)秉承為科研團(tuán)隊(duì)做好服務(wù)的理念，盡量保持中立地位，爭(zhēng)取通過(guò)功能疊加打通科技成果轉(zhuǎn)化“最后一公里”；在篩選入駐項(xiàng)目方面，應(yīng)以技術(shù)成熟度為主要尺度，疊加技術(shù)先進(jìn)性尺度?！跋Ｍㄟ^(guò)這輪科技體制機(jī)制改革，既要讓上海功能型平臺(tái)保證公益性，管好用好政府資金；又要讓平臺(tái)通過(guò)市場(chǎng)化運(yùn)營(yíng)適當(dāng)‘造血’，保證可持續(xù)發(fā)展?！?/span>
推動(dòng)碳基集成電路技術(shù)發(fā)展
石墨烯電子材料的應(yīng)用前景如何？據(jù)了解，一些基于石墨烯、用于數(shù)據(jù)通信的電子組件正在業(yè)界進(jìn)行原型演示。其中，電子和光子組件已集成到傳輸系統(tǒng)中并經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，可實(shí)現(xiàn)高速、低功耗的數(shù)據(jù)/電話通信。石墨烯光電探測(cè)器的光電模塊，可檢測(cè)從可見(jiàn)光到熱范圍的整個(gè)波段的光。因此，它們有望為夜視、光譜學(xué)和熱成像技術(shù)提供有成本競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。此外，原子層薄的石墨烯材料可以充當(dāng)各種物理參數(shù)（化學(xué)成分、濕度、溫度、應(yīng)變等）的強(qiáng)大傳感器，這些單片感應(yīng)平臺(tái)與射頻識(shí)別天線結(jié)合使用，能用作遠(yuǎn)程可讀探測(cè)器。
石墨烯晶圓在上海的小批量生產(chǎn)，為國(guó)產(chǎn)新一代電子器件的研發(fā)奠定了基礎(chǔ)。在石墨烯器件集成方面，這類產(chǎn)品已積累了很多國(guó)內(nèi)外用戶。中科院、中電集團(tuán)下屬單位利用滬研材料開(kāi)展攻關(guān)，突破了石墨烯太赫茲探測(cè)器件、高性能射頻晶體管等電子器件的核心工藝。吳天如表示，這些前沿研究和成果轉(zhuǎn)化，有利于解決碳基電子器件實(shí)用化面臨的技術(shù)障礙，加速推動(dòng)我國(guó)碳基集成電路技術(shù)的創(chuàng)新跨越式發(fā)展。
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