微型化IoT挑戰元件極限 奈米材料掀無矽半導體變革

為滿足IoT應用對於裝置尺寸、功耗與效能的要求,半導體業者近幾年不斷提升電晶體集積度。當製程微縮到一定程度時,以矽為基礎的半導體製程開始面臨物理限制,因此半導體製造商開始投入新興半導體材料的開發,盼能取得技術上的突破。

 

智慧型手機、平板電腦、筆記型電腦、電視、無人機和智慧手錶甚至冰箱都是透過微小的半導體實現智慧功能。半導體是一種當接觸到熱、光或電場(Electric Fields)時即具有導電性的材料。當電子裝置的尺寸不斷縮小,考驗著以矽為基礎半導體的極限。同時,導電奈米材料的市場也正不斷成長。

 

 

奈米級半導體 

隨著物聯網(IoT)裝置尺寸不斷縮小,半導體製造商也在積極尋找一種方式,可以同時縮小產品體積,也增強產品功能、提高產品效能與可靠性。這也表示要尋找矽的替代產品,而奈米材料正在好成為最有力的競爭對手。奈米材料在廣義上是指測量單位為十億分之一米的材料,與矽相比,奈米材料更快速、更輕、效能更高。英國曼徹斯特大學(University of Manchester)奈米材料講師Aravind Vijayaraghavan即指出,現代的矽半導體已屬於奈米技術。矽裝置的型態尺寸已經縮小到10奈米的水準,奈米管、奈米線和奈米顆粒等多種奈米材料正被研究用於半導體裝置技術的多個層面。

而資誠(PwC)全球半導體研究主管Raman Chitkara也認為,尋找替代材料對於開發新一代半導體至關重要。數位化和物聯網掀起的全新革命將包括智慧製造、自動駕駛、無人機、擴增實境(AR)及虛擬實境(VR)、機器人和其他新形式的人工智慧,半導體將成為這些重大技術創新的必備要素。

奈米碳管(Carbon Nanotubes, CNT)是由碳原子構成、直徑為1奈米的空心圓形管,強度大於鋼,是一種具發展性的半導體替代材料。雖然奈米碳管的直徑比人的頭髮小10,000倍,但它們擁有獨特的結構,即相對於微小的尺寸與巨大的表面積,使其能夠比矽電晶體更快速地傳導電流且更精確地檢測電氣變化。

市調機構BCC Research研究分析師Andrew McWilliams表示,奈米碳管目前的需求量龐大,從半導體的觀點來看,奈米碳管最引人關注的屬性是其具有極高的導電性。同時奈米碳管極其優異的導熱性有助於避免產生半導體相關的過度熱積聚。如2016年,威斯康辛大學麥迪遜分校(University of Wisconsin-Madison)的研究團隊宣布開發出一種奈米碳管電晶體,其電流傳導能力是矽電晶體的1.9倍。該團隊預計奈米碳管最終將實現比矽電晶體速度快5倍且耗能只有矽電晶體的五分之一。

根據威斯康辛大學麥迪遜分校材料科學與工程學教授Michael Arnold在《科學進展》(Science Advances)雜誌上發表的文章,奈米碳管電晶體的效能突破是推動在邏輯、高速通訊和其他半導體電子技術中運用奈米碳管的關鍵一步。另一種極具發展性的材料是多鐵性材料,這種材料兼具磁性和鐵電性(Ferroelectric),能實現可逆的電極化過程。由於這種材料具有與極化相關的特殊自旋波(Spin waves)特性,具有強化裝置功能的潛力。另外,麻省理工學院(MIT)專門從事磁性材料即奈米技術研究的材料科學與工程系副主任Caroline Rosss曾表示,未來將看到磁性材料、鐵電材料、多鐵性材料、2D材料等功能材料更緊密地相互整合,因為其能為裝置帶來足夠的新功能,值得各界探索推出新材料以解決製造所面臨的挑戰。

 

尋找可行替代材料 

找出能作為半導體的替代性奈米材料須花費大量的研究時間、資源和資金。不過,虛擬模擬與設計軟體能夠提供符合成本效益的工具,幫助研究人員快速建模並預測不同奈米等級材料的行為,找出確定可行的選項,制定新的設計規則以將其加工成半導體。

積極推動3D創意解決方案的達梭系統也已推出多款結合2D創意繪圖手法的直覺性與精確逼真的3D模擬軟體,如CATIA Natural Sketch,一款結合3D素描、概念模擬、A級曲面建模、快速成型以及視覺化。從概念發想、細部修整、設計確認、到最後即可生產的3D產品,滿足整合環境中的完整工業設計流程,讓3D素描與設計直覺發揮得更好,設計師可進一步了解作品3D面貌,避免2D視野帶來的誤解,與3D建模人員的溝通品質也更佳。

而美國能源部(Department of Energy)位於伊利諾州萊蒙特市阿貢國家實驗室(Argonne National Laboratory)的研究人員曾使用電腦模型模擬2D矽酮的生長和導電屬性,並迅速否定其作為替代性半導體材料的可能。該模型從那時起一直在演變發展,有助於研究人員迅速探索其他2D材料的半導體屬性。阿貢國家實驗室材料科學家暨發佈研究成果時的首位共同作者Badri Narayanan說,基本上,透過虛擬實驗將不同參數最佳化,成本比在實驗室中低很多,也能避免實驗室中大量的試錯工作(Trial and Error),取而代之的是使用模型所預測經最佳化的條件進行實驗開發,進而獲得想要的理想結構與屬性。

 

結合石墨烯與2D材料 新型電晶體有望取代矽

積層製造(Additive Manufacturing)也被稱為3D列印,有望用於加工奈米材料的複雜結構。由於奈米材料一旦被放大到半導體可使用的等級,有益效能和結構屬性就難以維持,因此進度相對緩慢。但是維吉尼亞理工學院暨州立大學黑堡校區(Virginia Polytechnic Institute and State University in Blacksburg)的一支團隊在2016年7月獲得突破性發展,他們研發出具良好導電性的彈性輕型金屬奈米,借助數位光學處理技術將設計擴展到可用的尺寸。

產業觀察家建議此工藝未來能用於石墨烯,也是目前最薄且強度最高的材料,或其他單原子2D材料,方便實現大規模生產。雖然石墨烯具有良好的堅韌性、透明性、導熱性和導電性,而且生產成本低,研究人員必須找到方法導入能帶間隙(Band-gap),也就是電子價能帶(Valence Band)和導電帶(Conduction Band)的距離,才能將其轉化為半導體。

Vijayaraghavan表示,石墨烯並非傳統的半導體,不能直接取代矽,但是將石墨烯與其他2D材料相結合的新型隧道電晶體有機會取代矽裝置。此外,其他擁有能帶間隙的類石墨烯2D材料也能用於製造電子裝置。總投資10億歐元的歐洲石墨烯旗艦技術(European Graphene Flagship)是歐盟的石墨烯產學聯合研究專案,同時是與此議題相關專案中規模最大的。除了傳統的電腦晶片之外,石墨烯還可用於量子運算,但這項研究目前仍處於起步階段。

石墨烯是一種相對新的材料,但研究人員已經在加速發揮它的特性與優勢。例如,挪威科技大學(Norwegian University of Science and Technology)已經在石墨烯上生長出半導體奈米線,可用於製作1微米厚的混合材料,進而用於太陽能電池、LED元件、感測器和電池的半導體。

但Ross表示,將石墨烯等新型奈米材料加工成半導體最大的挑戰在於難以將其整合到現有的製造工藝中,即便是具有明顯優異效能的材料,也必須採用與產業主流的底層矽材料相容的方式進行生產。

 

石墨烯應用多元 

石墨烯目前正用於生產能進行3D列印的導電油墨,支援製造商整合半導體和電路,供物聯網裝置使用。例如2017年8月,曼徹斯特大學推出一種具韌性的電池式裝置,能以導電石墨烯氧化物油墨直接進行絲網印刷(Screen-printed)到可清洗的紡織品上。英國國家石墨烯研究院(National Graphene Institute)知識交流研究員暨研究的共同作者Nazmul Karim指出,使用簡單、可擴展的列印技術開發基於石墨烯的柔性織物超級電容器,是朝新一代多功能穿戴式電子織品邁出的重要一步,其為生產低成本環保型智慧電子織品帶來可能性,這種織品能在儲蓄能量的同時監測人類活動與生理狀況。

在無線射頻識別(Radio-Frequency Identification, RFID)天線中使用石墨烯油墨是另一個具發展性的物聯網應用領域。市調機構BCC Research的研究分析師Andrew McWilliams認為,若能將適合列印完整RFID標籤的石墨烯油墨商品化,就有機會找到平衡成本、導電性和其他屬性的理想點,進而有能力在導電油墨市場中開闢越來越高的市占率。

雖然已可見初期成功的跡象,而且奈米技術發展快速,但在主流裝置中使用奈米材料半導體可能還需要至少十年。對此,中國科學院微電子研究所(Institute of Microelectronics of Chinese Academy of Sciences)積體電路先進工藝研發中心(Integrated Circuit Advanced Process Center)教授Luo Jun表示,半導體材料創新最大的困難在於,積體電路產業導入新半導體材料和相應的新設備與新技術的成本非常昂貴。

Chitkara則認為,若沒有半導體產業的持續創新,人們就無法邁向一個高度互聯的世界,也無法實現人類與裝置以更快速、高可靠性和更低成本進行通訊。

(本文由達梭系統提供)

 

文章出自: 新通訊元件雜誌

作者:  Rebecca Gibson、Michele Witthaus

文章連結: https://goo.gl/nrScGB

 

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