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李皓圳
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半导体材料那些事
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石墨烯
GaN
SiC
好像***最近去英国还专程看了华为英国公司的石墨烯研究,搞得国内好多石墨烯材料的股票大涨,连石墨烯内裤都跟着炒作起来了~~小编也顺应潮流聊聊
半导体
材料那些事吧。
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(3)
康选谦
2019-7-29 14:50:04
十年前,我刚毕业进入方正,当年我们的定位是SiGe,工号100以内的人曾经的邮箱后缀都是@sige.cn,好高大上,虽然后来还是顺应潮流走了Si工艺(现在已是6寸的佼佼者)。实际上SiGe只是实验室里的花瓶,虽然不如他但是却很成熟的有GaAs,比它牛的材料有SiC,所以注定了SiGe不会商业化,我在学校的时候也只是看到24研究所有研究过。
好吧,再回来聊我们的半导体材料,世界上最早的半导体材料是Ge,后来才是Si,主要是便宜因为原材料是沙子取之不竭用之不尽,所以硅/Si一直统治了半导体领域大半个世纪。但是随着摩尔定律的驱策,我们已经走到了原子级导致了很多击穿以及漏电等技术难题,所以到了10nm以下将迎来Si时代的终结,至于是不是IBM研发的石墨烯7nm晶体管我们还是期待吧,说不定我们tsmc能够延续Si-7nm呢。
在讲新材料之前我们还是把理论铺垫一下,不然后面讲解就纯属无稽之谈了。半导体材料的选择无非就是两个因素:一是载流子迁移率μ(Carrier Mobility),二是禁带宽度Eg (***称“带隙”, Forbidden band)。而迁移率与电场、载流子质量、材料晶格密度(碰撞散射)相关,这个没什么理论,但是禁带宽度就要好好讲讲了,教科书里的理论是价带低与导带顶之间就是禁带,而禁带宽度越小则电子容易从价带跃迁到导带形成自由电子-空穴对(Electron-Hole pair)参与导电,当然这也就是我们讲的雪崩击穿或漏电的产生机理。
讲完了理论,我们自然就可以得出选择半导体材料的guideline是:对于Logic制程(CPU)来讲,我们要的是速度需要选择高的载流子迁移率的材料。但是对于功率器件或者低功耗来讲,我们选择的是击穿电压高以及低漏电的高禁带宽度(Eg)的材料。下面就这两方面分别来做学习:
十年前,我刚毕业进入方正,当年我们的定位是SiGe,工号100以内的人曾经的邮箱后缀都是@sige.cn,好高大上,虽然后来还是顺应潮流走了Si工艺(现在已是6寸的佼佼者)。实际上SiGe只是实验室里的花瓶,虽然不如他但是却很成熟的有GaAs,比它牛的材料有SiC,所以注定了SiGe不会商业化,我在学校的时候也只是看到24研究所有研究过。
好吧,再回来聊我们的半导体材料,世界上最早的半导体材料是Ge,后来才是Si,主要是便宜因为原材料是沙子取之不竭用之不尽,所以硅/Si一直统治了半导体领域大半个世纪。但是随着摩尔定律的驱策,我们已经走到了原子级导致了很多击穿以及漏电等技术难题,所以到了10nm以下将迎来Si时代的终结,至于是不是IBM研发的石墨烯7nm晶体管我们还是期待吧,说不定我们tsmc能够延续Si-7nm呢。
在讲新材料之前我们还是把理论铺垫一下,不然后面讲解就纯属无稽之谈了。半导体材料的选择无非就是两个因素:一是载流子迁移率μ(Carrier Mobility),二是禁带宽度Eg (***称“带隙”, Forbidden band)。而迁移率与电场、载流子质量、材料晶格密度(碰撞散射)相关,这个没什么理论,但是禁带宽度就要好好讲讲了,教科书里的理论是价带低与导带顶之间就是禁带,而禁带宽度越小则电子容易从价带跃迁到导带形成自由电子-空穴对(Electron-Hole pair)参与导电,当然这也就是我们讲的雪崩击穿或漏电的产生机理。
讲完了理论,我们自然就可以得出选择半导体材料的guideline是:对于Logic制程(CPU)来讲,我们要的是速度需要选择高的载流子迁移率的材料。但是对于功率器件或者低功耗来讲,我们选择的是击穿电压高以及低漏电的高禁带宽度(Eg)的材料。下面就这两方面分别来做学习:
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张强
2019-7-29 14:50:16
1
、Logic
制程的材料选择:
我们摩尔定律一直驱策的CPU以及AP处理器都是Logic制程(至少40nm以下还没有出现过HV、BCD、eFlash等产品),它的要求是小而美且速度快。根据我们上面提到的guideline,所以如果Si走到了尽头,我们的选择一定是高迁移率的第四主族元素(C, Si, Ge),只能是碳了。而碳里面迁移率最高的一定就是石墨了,还记得小时候我们拆解手电筒一号电池拿里面的柱状电极写字不?O(∩_∩)O哈哈~那个就是石墨,之所以用它就是因为它导电性好。
但是石墨本身是个层状晶体结构,但层与层之间没有键合而很容易滑动(润滑剂),因为半导体材料必须是单晶结构,所以只能使用单层的石墨,也就是我们的石墨烯(Graphene)。
拜读了《华为为何投资石墨烯》一文,石墨烯有很好的导热、导电、透光特性(98%透光率),以及高强度、超轻薄、超大表面积(六面体)、柔韧性好等集众多优点与一身的宝贵材料,高级!仅透光性好我觉得就可以替代TFT-LCD屏的ITO透光导电膜,以及结合柔韧性好可以制造弯曲屏幕代替OLED,再夸张点用石墨烯做的MOS是不是可以做透明手机了。。。扯远了
回顾我们硅时代的CPU主频极限是3G~4G (实际2~3G),因为你过高的频率会使得温度升高而烧毁,所以即使在液氮下也只能达到8.4G的频率。但是石墨烯的载流子迁移率是Si的10倍,并且导热性好,理想主频可以达到300G,当然那只是理论,IBM的中国***工程师Lin Yu-ming在2011年的Science上发表的首次做到了全晶圆尺寸石墨烯的集成威廉希尔官方网站 的主频也只有155G,当然这已经足以甩开硅基CPU几个世纪了。
虽然现在7nm的晶体管已经搞出来了,但是我个人觉得如果要遵循摩尔定律它就不可能在2~3年量产,因为目前为止还有很多技术难题。石墨烯虽然导电超好,知道它为什么好吗?根据前面讲的能带理论,只有进入到导带的电子才参与导电,而金属为什么导电性好就是因为它价带和导带在一起,而石墨烯本身也是类似金属的无带隙(没有禁带)的材料,对于半导体来讲这可是致命的,半导体器件讲究的是个逻辑,即所谓的“0”和“1”,需要靠控制禁带宽度的跃迁来实现的,你如果没有禁带还怎么玩?所以我们必须人工植入一个带隙——但是简单植入又会使石墨烯丧失它的独特属性,从而破坏二维晶体周期性结构来实现能带结构的调制,可是破坏晶体周期性会影响材料迁移率,从而降低频率。所以这就是技术挑战。当然我认为华为投资跟IBM的方向是不一样的,毕竟它不搞半导体制造,所以它应该看中的是电池以及其他应用吧。
半导体石墨烯的前途是光明的、道路是曲折的!
1
、Logic
制程的材料选择:
我们摩尔定律一直驱策的CPU以及AP处理器都是Logic制程(至少40nm以下还没有出现过HV、BCD、eFlash等产品),它的要求是小而美且速度快。根据我们上面提到的guideline,所以如果Si走到了尽头,我们的选择一定是高迁移率的第四主族元素(C, Si, Ge),只能是碳了。而碳里面迁移率最高的一定就是石墨了,还记得小时候我们拆解手电筒一号电池拿里面的柱状电极写字不?O(∩_∩)O哈哈~那个就是石墨,之所以用它就是因为它导电性好。
但是石墨本身是个层状晶体结构,但层与层之间没有键合而很容易滑动(润滑剂),因为半导体材料必须是单晶结构,所以只能使用单层的石墨,也就是我们的石墨烯(Graphene)。
拜读了《华为为何投资石墨烯》一文,石墨烯有很好的导热、导电、透光特性(98%透光率),以及高强度、超轻薄、超大表面积(六面体)、柔韧性好等集众多优点与一身的宝贵材料,高级!仅透光性好我觉得就可以替代TFT-LCD屏的ITO透光导电膜,以及结合柔韧性好可以制造弯曲屏幕代替OLED,再夸张点用石墨烯做的MOS是不是可以做透明手机了。。。扯远了
回顾我们硅时代的CPU主频极限是3G~4G (实际2~3G),因为你过高的频率会使得温度升高而烧毁,所以即使在液氮下也只能达到8.4G的频率。但是石墨烯的载流子迁移率是Si的10倍,并且导热性好,理想主频可以达到300G,当然那只是理论,IBM的中国***工程师Lin Yu-ming在2011年的Science上发表的首次做到了全晶圆尺寸石墨烯的集成威廉希尔官方网站 的主频也只有155G,当然这已经足以甩开硅基CPU几个世纪了。
虽然现在7nm的晶体管已经搞出来了,但是我个人觉得如果要遵循摩尔定律它就不可能在2~3年量产,因为目前为止还有很多技术难题。石墨烯虽然导电超好,知道它为什么好吗?根据前面讲的能带理论,只有进入到导带的电子才参与导电,而金属为什么导电性好就是因为它价带和导带在一起,而石墨烯本身也是类似金属的无带隙(没有禁带)的材料,对于半导体来讲这可是致命的,半导体器件讲究的是个逻辑,即所谓的“0”和“1”,需要靠控制禁带宽度的跃迁来实现的,你如果没有禁带还怎么玩?所以我们必须人工植入一个带隙——但是简单植入又会使石墨烯丧失它的独特属性,从而破坏二维晶体周期性结构来实现能带结构的调制,可是破坏晶体周期性会影响材料迁移率,从而降低频率。所以这就是技术挑战。当然我认为华为投资跟IBM的方向是不一样的,毕竟它不搞半导体制造,所以它应该看中的是电池以及其他应用吧。
半导体石墨烯的前途是光明的、道路是曲折的!
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陈桂兰
2019-7-29 14:50:21
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