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石墨烯單晶晶圓生長創(chuàng)世界紀(jì)錄,上海功能型平臺加速產(chǎn)業(yè)化

  • 發(fā)布時間2020-07-03 12:17
  • 發(fā)布人金彩集團(tuán)
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2010年,曼徹斯特大學(xué)兩位科學(xué)家因為對石墨烯的開創(chuàng)性研究獲得諾貝爾物理學(xué)獎。就是從那年起,中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所開始研制這種材料??芍^“十年磨一劍”,如今,謝曉明研究員團(tuán)隊在高品質(zhì)石墨烯電子材料制備方面取得多項突破,近日獲得上海市自然科學(xué)獎一等獎。
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)功能型平臺合作,通過建設(shè)創(chuàng)新實驗室,實現(xiàn)8英寸石墨烯單晶晶圓、4英寸鍺基石墨烯晶圓、大面積六方氮化硼介質(zhì)薄膜的中試生產(chǎn)。謝曉明團(tuán)隊還與國內(nèi)、國際多家單位合作,實現(xiàn)了石墨烯在微電子、能源、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用。
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石墨烯制造芯片有四大優(yōu)勢

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,工藝升級的難度越來越大。
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: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牧洗蟮枚啵欢鞘┑木w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。

因為這些優(yōu)越的性能,歐盟、美國、韓國等多個國家和地區(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“石墨烯旗艦計劃”總投資10億歐元,推動石墨烯電子學(xué)應(yīng)用等技術(shù)研發(fā)。

圖片 2.png

單晶晶圓生長創(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’?!敝锌圃荷虾N⑾到y(tǒng)所研究員吳天如說,“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),實現(xiàn)4—8英寸單晶的小批量生產(chǎn)?!?/span>
在國家科技重大專項、上海市科委項目支持下,謝曉明團(tuán)隊解決了用籽晶制備單晶的技術(shù)難題,讓一個幾百微米大小的石墨烯籽晶在二維平面上生長。經(jīng)過約2.5小時,籽晶能生長成1.5英寸大小的石墨烯單晶,生長速度和單晶尺寸都創(chuàng)造了世界紀(jì)錄。經(jīng)過后期設(shè)計優(yōu)化,這個團(tuán)隊已能制備8英寸石墨烯單晶晶圓

中科院上海微系統(tǒng)所還在國際上首次實現(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“黑白搭檔”相互配合,既能提升材料綜合性能,又有利于開發(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100余項專利,授權(quán)70余項,其中國際專利9項。
功能型平臺加速產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程
如何把這些國際一流的科研成果轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實生產(chǎn)力?去年9月,中科院上海微系統(tǒng)所與上海市石墨烯功能型平臺簽約合作,由后者的創(chuàng)新實驗室承擔(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)化功能型平臺之一,石墨烯功能型平臺屬于新型研發(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、資本市場等創(chuàng)新資源,培育石墨烯產(chǎn)業(yè)集群。

“我們平臺上集聚了來自高校、科研院所的一批高水平科研團(tuán)隊,他們有一個共同目標(biāo),就是讓實驗室成果通過中試放大和產(chǎn)業(yè)對接,轉(zhuǎn)化為成熟的產(chǎn)品?!鄙虾J惺┕δ苄推脚_董事長梁勇說。謝曉明團(tuán)隊就是其中一個團(tuán)隊,他們最看重的功能型平臺優(yōu)勢有兩點:一是平臺有一批工程技術(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;二是平臺有豐富的產(chǎn)業(yè)資源,能為科研團(tuán)隊對接一批企業(yè),加快科技成果產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

目前,謝曉明團(tuán)隊的創(chuàng)新實驗室正在加緊建設(shè)。這個具有中試放大功能的實驗室設(shè)在上海市石墨烯功能型平臺,與其他科研團(tuán)隊的創(chuàng)新實驗室毗鄰。它們都面積頗大,有不少大型設(shè)備,看上去像一個個廠房。“我們計劃今年9月完成實驗室建設(shè),中試生產(chǎn)8英寸石墨烯單晶晶圓等多種產(chǎn)品。”吳天如說,“我們還想通過平臺了解產(chǎn)業(yè)下游需求,早日實現(xiàn)產(chǎn)品的規(guī)?;瘧?yīng)用?!?/span>
在梁勇董事長看來,功能型平臺在高新技術(shù)研發(fā)與轉(zhuǎn)化過程中可扮演重要角色。“功能型平臺采取公司化運(yùn)營模式,科研項目入駐平臺后,科研團(tuán)隊并不能得到人財物,但有望獲得未來產(chǎn)業(yè)化的收益,所以不是奔著產(chǎn)業(yè)化去的科學(xué)家根本不會來我們平臺?!弊鳛橐活愋滦脱邪l(fā)機(jī)構(gòu),功能型平臺應(yīng)秉承為科研團(tuán)隊做好服務(wù)的理念,盡量保持中立地位,爭取通過功能疊加打通科技成果轉(zhuǎn)化“最后一公里”;在篩選入駐項目方面,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。“希望通過這輪科技體制機(jī)制改革,既要讓上海功能型平臺保證公益性,管好用好政府資金;又要讓平臺通過市場化運(yùn)營適當(dāng)‘造血’,保證可持續(xù)發(fā)展?!?/span>

 

資料來源:上觀新聞,石墨烯資訊編輯整理,轉(zhuǎn)載請注明出處