芯片制造商新材料

石墨烯,想知道材料在2004年重新发现,和其他二维材料在制造半导体硅的作用开始消退。虽然有很多化合物已经在使用,如砷化镓、氮化镓,碳化硅,这些材料通常被局限于特定的利基应用程序。

过渡金属dichalcogenides (TMDCs),一类二维材料来源于基本elements-principally碲、硒、硫和(被研究者广泛地探讨作为半导体材料。这些包括二硫化钼(金属氧化物半导体₂)、钼联硒化物(摩斯₂碲化),ditelluride钼和钼(微粒₂)、二硫化钨(WS₂)和钨联硒化物(WSe₂),这是被测试的材料用于芯片。

TMDCs功能为半导体与石墨烯(一个碳同素异形体)作为电导体,和单层六角氮化硼(也称为白石墨烯)作为电绝缘体。这些材料可用于电子设备,能源和收获设备和灵活和透明基板。TMDCs也正在与硅基板相结合,给美好的几年硅发光。和2 d材料可以印在纸基板,打开一个全新的领域的基于纸张的设备,如传感器。

单层石墨烯导电,过度。二维碳材料没有能带,然而,限制其在集成电路中使用。相比之下,双层石墨烯可以调隙。双层石墨烯薄膜在碳化硅可以更好的控制,研究人员发现。Trilayer石墨烯也可以产生隙可调,需要开发场效应晶体管的半导体器件。

图1:石墨烯。来源:剑桥纳米系统。

IDTechEx研究预测石墨烯市场将在2027年增加到超过3亿美元,与3800多吨石墨烯运送。

“市场将分段在许多应用程序中,反映出不同的石墨烯的性质,“说Khasha Ghaffarzadeh, IDTechEx研究主管。“总体而言,我们预计功能性油墨和涂料的市场。几年前这是一个趋势,我们预测,现在在原型和小规模应用。事实上,IDTechEx研究项目,功能性油墨和涂料市场将在2018年占市场的21%。然而,最终能量储存和复合材料将增长最大的行业,控制2027年25%和40%的市场份额,分别。”(石墨烯二维材料和碳纳米管:市场、技术和机会,2017 - 2027年)。

IBM宣称碳纳米管作为硅的继任者好几年了,并且有报道发展中基于碳纳米管晶体管的进展。

图1:问晶体管40 nm的足迹。来源:IBM

“石墨烯传感器应用程序似乎是一个很好的材料,因为属性如每个原子接触当地环境,超高电子迁移率、导热,事实上,它很强壮且灵活,”蒂莫西·舒尔茨说,在罗伯特•博世项目领导微系统技术。“在欧洲,我们有石墨烯研究自2012年以来。我们欧洲石墨烯旗舰的一部分。在美国等我们做,我们积极与加州大学伯克利分校和斯坦福大学graphene-related研究。”

这并不总是直线前进,尽管。“对于任何新技术,这是一个崎岖不平的工业化道路,”舒尔茨说。“我们看到三个关键的障碍。第一,制造石墨烯在圆片规模是困难的,这是由于大范围内获得良好的均匀性,低缺陷密度,使它变成可能的污染风险标准半导体线。当然,当你谈论的制造业,在所有不同的流程或不同的方法制造石墨烯。我们应该直接与transfer-free吗?同时,我们需要一个强大的输入传感器和应用程序。我们的经验法则是它需要一个数量级比任何特定的状态参数是重要的艺术。我们需要确定一个核心应用程序并获得强大的投资回报。最后,它是将石墨烯集成到设备和维护在生产石墨烯的属性。 We may end up having special requirements on the substrate, on the subsequent layers, and special requirements on how to contact the graphene.”

主任拉胡尔Raut战略和技术收购阿尔法组装解决方案,指出他的公司一直在与MacDermid性能解决方案和国家石墨烯在英国曼彻斯特大学的研究所。“目前,一个主要的挑战是能够生产高质量石墨烯工程或为特定的应用程序,在一个可伸缩的high-volume-manufacturing方法中,“Raut说。“阿尔法的工作进行下一代NGI导致HVM-capable合成方法的发展,工程师大型石墨烯片,由这个过程时,拥有一个独一无二的结合属性,使其适用于电子材料和其他相关的应用程序。”

其他市场
石墨烯的使用远远超出电子由于其导电能力。例如,英国Haydale有限公司,专注于纳米材料处理,正在与韩国公司将石墨烯成炊具,据Haydale CEO雷布斯。它还正在与亨斯迈先进材料,这是设计材料,如船船体结构粘合剂用于创建高强度、低重量的汽车。

“在部分,少即是多,”吉布斯说。“这是纳米材料的关键。”

菲利斯都在剑桥大学讲师的石墨烯中心指出,石墨烯和2 d智能织物和材料被用于墨可穿戴电子产品、。该大学的研究人员能够打印氮化硼,石墨烯,和银纺织品形成两个晶体管——完全灵活,不死板。“我们也可以在3 d spray-coat这些设备表面,”他说。

托马斯•天鹅& Co。与此同时,正在看石墨烯应用于环氧树脂涂料由于其导热系数,并原型石墨烯油墨。“我们在2013年开始使用石墨烯Dimitris Presvytis说,公司的先进材料研究的领导者,专注于工业应用的石墨烯和氮化硼。“我们有很高的期望。它可以找到很多潜在的应用程序更加汽车或航空”。

英国中心的过程创新——石墨烯应用中心曾与行业将石墨烯集成到涂料、复合材料、油墨,膜,和传感器,。“许多声称的石墨烯的属性可以实现成本效益,”汤姆·泰勒说,主任新业务。

CPI可以帮助扩大在各种电子技术工程设计,根据泰勒。“我们有半工业规模设备,我们提供公司、投资者使用。这个想法,模型,你有新的你想做的,你现在不做设置。资本投资之前,你可以来找我们。你有效支付租用设备。这都是为了消除创新。经济模式是你支付一天的工作,而不是在设备上花几百万英镑。我们关注的地区是石墨烯空间领域,我们认为提供经济优势。”

制定标准
标准在这个领域开始出现,。特伦斯Barken,石墨烯的执行董事委员会在美国说,他的组织是致力于石墨烯标准。

“我们认为它将是未来的石墨烯与其他技术相结合,其它材料,不一定就其本身而言,“Barken说。”面临的挑战是,你如何将所有这些不同的政党一起加速开发过程和加速异花受精的想法,所以,实际应用得到更快的发展。严格地说,石墨烯是一个单层的碳原子,如果是纯粹的形式,但实际上有许多形式的石墨烯。你有大量的石墨烯。这是多层石墨烯,可能3、4、5、6、7层。甚至还有可能50层的材料在市场上或100层的碳,被称为石墨烯,它显然不是。”

需要有基线定义所有这些材料。”对于一个工业应用程序,定期对人们使用一种材料,它需要被复制,和工业使用,通常还需要不止一个的供应来源,“Barken说。“如果你有超过一个的供应来源,这些供应商需要提供相同的材料,因此您可以使用它在你的工业过程。因此,你需要某种形式的标准化过程,至少在某种程度上。重要的是,现在有一个ISO标准组织同意的定义什么是石墨烯和石墨烯的不是。定义是材料,包括碳和10层可以被视为一个石墨烯材料。如果是11层的碳或更多,它被认为是微石墨。这并不意味着超过10层材料是无用的。材料仍然是有用的,但我们不应该称之为石墨烯因为混淆了市场,这是不准确的。”

结论
硅依旧强大,但它越来越难以硅扩展到一些新市场以及新流程节点。CMOS已经精疲力竭了几个节点,在每个新节点和变得更加明显。

公司如林研究和应用材料一直在说了一段时间,未来将取决于新材料。打开车门,各种各样的新选项,包括石墨烯、二维材料,碳纳米管。将使用这些材料,而其他人将结合硅延长摩尔定律和提高性能,功率和面积远远超过今天。

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