我相信,石墨烯(graphene)將在未來催生半導體材料的下一個重大創新。

材料創新一直是半導體產業中重要的一環。過去,最重要的是高κ閘極介電質;現在,則是鈷成為在半導體中段製程(middle-of-line;MOL)觸點中替代鎢的重要元素。

2004年發現的石墨烯,是迄今最輕薄但最強大的材料。它是碳的一個原子層,它比鋼更強勁200倍,同時也是人類已知最輕薄的材料——每平方公尺的重量約0.77毫克(mg)。它同時也是室溫下的理想導電和導熱體。

由於石墨烯是一個原子層,因此既柔軟且透明。它還能在可見光與近紅外線頻譜範圍展現均勻吸收光的能力,而且適用於自旋電子元件。

針對即將出現的新半導體製程節點,石墨烯將在其先進封裝與互連材料方面發揮重要作用。在3D IC封裝中,石墨烯可作為散熱片,用於降低整體熱阻,或作為EMI屏蔽,以降低串擾。

主動式石墨烯元件層可經由低溫轉換製程(< 400°C)彼此堆疊,實現支援近記憶體運算(memory-near-compute)的高密度異質元件。這是目前美國國防部先進計劃署(DARPA)目前正積極研究的一個領域,同時也是其15億美元電子振興計劃的一部份。

至於互連,銅的動能逐漸消逝,而成為重大的IC瓶頸,預計在7nm節點時達到40%的延遲。石墨烯由於具有較高的電子遷移率和導熱性,使其成為半導體中段和後段製程中更具吸引力的互連材料,特別是在線寬< 30nm時。

基於石墨烯的半導體應用已經開始進入市場。在今年於巴塞隆納舉行的世界行動通訊大會(MWC 2018)展出了一款整合石墨烯調變器和光探測器的新型光收發器,可實現高達每通道25Gbits/s的速度。美國聖地亞哥一家公司Nanomedical Diagnostics已經開始銷售使用石墨烯生物感測器的醫療裝置了。而在歐洲,Emberion正在打造石墨烯光電感測器,用於改善低光條件下的感測能力,還可望在光達應用中找到一席之地。

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離子佈植(ion implantation)技術的發展歷史正是石墨烯如何用於半導體產業的最佳寫照——從基礎科學發現演變至實驗室研究,再進展到實際於廠房製造的過程。

在離子佈植技術發展之初,半導體產業當時的主流觀點並不看好這種技術實際可行(相對於熱擴散),就算它能起什麼作用,也只是略微提高現有產品的製造產量。從核子物理研究轉移離子轟擊技術到半導體生產並不明顯。

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