硅基芯片
關注創(chuàng)建者：旋算仿真工作室 創(chuàng)建時間：2024-08-15
硅基芯片的實例教程
石墨烯芯片沒那么“神”
由于碳元素比較穩(wěn)定，具有易于成型和機械加工的特性，業(yè)界一直有傳言稱碳基芯片的制造完全可以繞開復雜的EUV光刻設備，石墨烯晶圓也將實現(xiàn)碳基芯片的量產(chǎn)。
2021年5月，在中芯國際的互動平臺上，就有投資者提出：“貴司是否愿意與中科院合作研發(fā)石墨烯碳基芯片項目”的問題作出回應。當時，中芯國際就表示公司的業(yè)務未涉及石墨烯晶圓領域，這也打消了早先網(wǎng)上流傳的有關于“中芯國際可以依靠石墨烯芯片，在半導體領域中彎道超車”的謠言。對此，中科院團隊也表示其并未說過類似“我國是世界上唯一能夠生產(chǎn)8英寸石墨烯晶圓”的言論，望大家不要被誤導。
事實上，在美國對半導體行業(yè)實行技術限制的大背景下，中芯國際很難做到既兼顧解決國內(nèi)芯片自給問題，又做好石墨烯晶圓的新項目研究。即便可以，考慮到市場、成本、技術等問題，硅基產(chǎn)品在很長時間內(nèi)，依舊會處于業(yè)界主導地位，目前的碳基芯片基本上還處于概念階段，并沒有實際可以量產(chǎn)的成品出現(xiàn)。
與硅基芯片的發(fā)展軌跡類似，想要生產(chǎn)、研發(fā)碳基芯片，就必須有一套與之相匹配的完整產(chǎn)業(yè)鏈與大量的研發(fā)人員，這便產(chǎn)生了額外的成本。當前半導體領域有關于芯片資源的競爭十分激烈，放棄大好市場資源，投入大量人力、財力資源選擇一個尚未成型的市場項目，顯然是不明智的。
此外，在與硅基芯片的特性對比后，大家可能會產(chǎn)生“碳芯片的制程難度低于硅芯片”的誤解，但實際上，如果單從容量來看，碳基芯片的制程難度的確低于現(xiàn)有的硅基芯片，這是因為碳基芯片可容納晶體管數(shù)量要高于硅芯片，碳晶圓的晶體管架空性也優(yōu)于硅晶圓。但是，由于碳原子有4個自由電子，碳晶體管本身具有較高的導熱性與電子活潑性，導致碳晶體管的內(nèi)部結(jié)構十分不穩(wěn)定，提高了芯片廠商對芯片自主可控電阻、電流的難度。
展開 與此同時，在大洋彼岸麻省理工學院的實驗室里，由MIT助理教授Shulaker帶領的團隊也在開展碳基芯片的研究。
不過不同的是，在設計和處理方面MIT團隊更在乎與現(xiàn)有的硅基芯片的工藝兼容。例如他們使用目前標準的芯片設計EDA軟件來實現(xiàn)電路設計，利用以硅基芯片兼容的材料和工藝制備，從而得到14000個碳基晶體管組成的集成電路。這種處理方式更實用，也可以讓碳基芯片設計更復雜的電路，更快實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)變現(xiàn)。
但MIT當前的微處理器工作性能還是硬傷，更像是把硅基芯片中的一些硅基晶體管替換成碳管晶體管，設計電路的運行速度仍然停留在M赫茲，處在硅基芯片30年前的水平，無法超越硅基芯片，更是遠遠未達到碳納米管電路應有的水平。
而北大的工作解決了大面積、高密度碳納米管的排列問題，制造的小型碳基集成電路性能已經(jīng)超越了硅基集成電路，展示了碳管陣列，可以滿足超大規(guī)模集成電路的材料需求。而且這種獨特的碳管制備工藝可以批量生產(chǎn)。
#碳基芯片的應用難點#
根據(jù)研究報道，石墨烯芯片看來是個不錯的方向，其實應用制造難度也很大。
首先，我們要提煉純凈的石墨烯，這是難點之一。目前來看，成本相當高，提純1克需要5000元。
其次，純凈的石墨烯沒法做成邏輯電路，需要改良形態(tài)，把石墨烯改造成碳納米管，以此來充當半導體，石墨烯充當導電溝道。現(xiàn)在的硅基芯片則不同，我們只需做提純工作，地球上的硅元素太豐富了，成本也不高。純凈的硅晶片就是制造芯片的絕佳材料。
第三呢，碳基芯片或許不需要光刻機，直接在石墨烯晶圓上切片、刻蝕和注入離子。雖然繞過了5nm光刻機，可碳基芯片的量產(chǎn)落地，肯定也需要用到類似的高精度設備。
展開 ① IC設計
現(xiàn)在是硅基芯片的時代，無論是EDA設計軟件、還是IP核都是圍繞硅基芯片技術進行。臺積電的優(yōu)勢也正是在硅基芯片制造上，所以，現(xiàn)在它可以揮舞“半導體之刃”。但是，現(xiàn)在硅基芯片的摩爾定律已經(jīng)快到物理極限了。中美兩國都已經(jīng)在研究碳基芯片、量子芯片，而且已經(jīng)取得了一些成績。一旦這些技術起來，臺積電的優(yōu)勢就喪失殆盡。就算立即跟進制造這類芯片，那也是和所有制造企業(yè)平起平坐。
② IC制造
臺積電在IC制造上有絕對的優(yōu)勢！2017年就實現(xiàn)了7nm工藝，2020年實現(xiàn)了5nm的量產(chǎn)。現(xiàn)在正在研究3nm、2nm的工藝。但是，硅基芯片的“摩爾定律”已經(jīng)快到物理極限了。眾所周知，制程工藝上說的多少納米是指半導體場效應晶體管柵極的寬度，也被稱為柵長。隨著柵長的縮短，晶體管的源極和漏極之間的漏電現(xiàn)象會增大，從而導致晶體管無法正常工作。特別是在7nm以下，這種“隧穿效應”更加明顯。同時還有晶體管的短溝效應，會使閥值電壓降低。在1nm及以下工藝，要解決這些問題會變得極其困難。
③ 封測和整機
首先臺積電自己有封測業(yè)務，所以，封測產(chǎn)業(yè)對它不會有影響。而整機產(chǎn)業(yè)，正是被臺積電影響的產(chǎn)業(yè)。不過，萬事萬物的影響都是相互的。整機廠商需要芯片，臺積電可以制造出先進的芯片。但是，做芯片制造的也不是臺積電一家。整機廠商是直接面對消費者的商家，他們的宣傳對是市場是有很大影響力的。一定程度上也會反作用于芯片制造企業(yè)。
展開 ① IC設計
現(xiàn)在是硅基芯片的時代，無論是EDA設計軟件、還是IP核都是圍繞硅基芯片技術進行。臺積電的優(yōu)勢也正是在硅基芯片制造上，所以，現(xiàn)在它可以揮舞“半導體之刃”。但是，現(xiàn)在硅基芯片的摩爾定律已經(jīng)快到物理極限了。中美兩國都已經(jīng)在研究碳基芯片、量子芯片，而且已經(jīng)取得了一些成績。一旦這些技術起來，臺積電的優(yōu)勢就喪失殆盡。就算立即跟進制造這類芯片，那也是和所有制造企業(yè)平起平坐。
② IC制造
臺積電在IC制造上有絕對的優(yōu)勢！2017年就實現(xiàn)了7nm工藝，2020年實現(xiàn)了5nm的量產(chǎn)。現(xiàn)在正在研究3nm、2nm的工藝。但是，硅基芯片的“摩爾定律”已經(jīng)快到物理極限了。眾所周知，制程工藝上說的多少納米是指半導體場效應晶體管柵極的寬度，也被稱為柵長。隨著柵長的縮短，晶體管的源極和漏極之間的漏電現(xiàn)象會增大，從而導致晶體管無法正常工作。特別是在7nm以下，這種“隧穿效應”更加明顯。同時還有晶體管的短溝效應，會使閥值電壓降低。在1nm及以下工藝，要解決這些問題會變得極其困難。
③ 封測和整機
首先臺積電自己有封測業(yè)務，所以，封測產(chǎn)業(yè)對它不會有影響。而整機產(chǎn)業(yè)，正是被臺積電影響的產(chǎn)業(yè)。不過，萬事萬物的影響都是相互的。整機廠商需要芯片，臺積電可以制造出先進的芯片。但是，做芯片制造的也不是臺積電一家。整機廠商是直接面對消費者的商家，他們的宣傳對是市場是有很大影響力的。一定程度上也會反作用于芯片制造企業(yè)。
展開 如今，NTU的研發(fā)人員發(fā)現(xiàn)，可利用硅基激光器芯片發(fā)光，替代二極管。他們還采用了鍺的延展性，該類金屬通常被用作為三極管，這是科研人員首次發(fā)現(xiàn)與硅兼容的可發(fā)光材料。
價格便宜、性能更高
目前，即使是最便宜的常規(guī)激光雷達傳感器，其售價也高達10000新加坡元（約合7345.9美元），而固態(tài)激光雷達芯片的成本卻只有50新加坡元（約合36.7美元）（實現(xiàn)商用的情況下）。
當研究人員利用新技術實現(xiàn)該款激光雷達芯片的量產(chǎn)后，其市場售價或為50新加坡元，這將為許多計劃從事自動駕駛技術研發(fā)的小公司提供新的商機。
截止至目前，即使是常規(guī)的激光雷達，其售價也太過高昂，許多公司在選擇設備時被迫跳過該設備。
該款激光雷達硅基芯片的另一項好處在于，其圖像品質(zhì)極佳，可提供較高的分辨率，這主要得益于該芯片的激光密度，其圖像的響應速度也較快。
該項技術突破或拉低其他技術的成本、縮短其研發(fā)周期、提升其可靠性。例如，該款激光雷達硅基芯片可安裝在無人機上，或許未來還能被用作手機芯片。
負責該研發(fā)項目的NTU電氣與電子工程學院（School of Electrical and Electronic Engineering）副主席Tan Chuan Seng博士說道：“該芯片還有諸多應用潛力，可利用可見光通信（LiFi）替代無線網(wǎng)絡技術。”
該項目獲得了新加坡國立研究基金會（National Research Foundation）正在做商用準備，或許未來5年內(nèi)就能實現(xiàn)該激光雷達芯片的商業(yè)化。
來源：MEMS
展開 
硅基芯片的最新內(nèi)容
二氧化釩開關與現(xiàn)有的硅基芯片兼容，并在光譜的近紅外和可見區(qū)域工作。近紅外光對于電信和光通信至關重要，而可見光對于傳感器和顯微鏡至關重要。
表面等離子體光子學超材料還可以幫助磁盤上的熱輔助磁存儲器的存儲——通過在寫入時加熱磁盤上的小點來增加存儲器存儲。
顯微鏡
亞波長表面等離子體光子學的一個顯著應用是超出光衍射極限的顯微鏡應用。
二氧化釩開關與現(xiàn)有的硅基芯片兼容，并在光譜的近紅外和可見區(qū)域工作。近紅外光對于電信和光通信至關重要，而可見光對于傳感器和顯微鏡至關重要。
表面等離子體光子學超材料還可以幫助磁盤上的熱輔助磁存儲器的存儲——通過在寫入時加熱磁盤上的小點來增加存儲器存儲。
顯微鏡
亞波長表面等離子體光子學的一個顯著應用是超出光衍射極限的顯微鏡應用。
然而，芯片與外界信息交互時需要光纖傳輸，其次，硅基光子芯片的光源集成難度較大，因此需要光纖耦合來提供光源。但是SOI條形波導與光纖直接耦合的效率并不高，甚至低于10%，主要原因在于兩者的模場面積相差較大，標準的單模光纖的模場面積大約在 ，而波導的模場有效面積通常小于 ，在耦合過程中會產(chǎn)生極大的模場失配，進而產(chǎn)生較大的插入損耗。
然而，芯片與外界信息交互時需要光纖傳輸，其次，硅基光子芯片的光源集成難度較大，因此需要光纖耦合來提供光源。但是SOI條形波導與光纖直接耦合的效率并不高，甚至低于10%，主要原因在于兩者的模場面積相差較大，標準的單模光纖的模場面積大約在 ，而波導的模場有效面積通常小于 ，在耦合過程中會產(chǎn)生極大的模場失配，進而產(chǎn)生較大的插入損耗。
硅光子耦合技術的現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)
硅基光子芯片憑借低延遲、高傳輸速率等優(yōu)勢，成為5G、云計算等領域的核心載體。然而，硅材料無法集成片上光源，需通過外部光纖與片上波導耦合實現(xiàn)光信號傳輸。
9月11日 18:00-19:00
現(xiàn)場形式
視頻展示、現(xiàn)場講解/Demo演示、問答環(huán)節(jié)
電磁
創(chuàng)新仿真驅(qū)動的電子設計：從芯片到系統(tǒng)
Innovative Simulation-Driven Electronic Design: From Silicon to System
隨著 5G/6G、人工智能等技術的爆發(fā)式發(fā)展，電子系統(tǒng)正加速向高密度集成、跨域協(xié)同方向突破，從硅基芯片到復雜整機的設計復雜度呈指數(shù)級增長
CINNO Research產(chǎn)業(yè)資訊，8月26日，Sapien半導體宣布，與美國Big Tech公司簽訂了用于增強現(xiàn)實（AR）眼鏡的LEDoS(LED on Silicon）驅(qū)動芯片共同開發(fā)供應合同。合同規(guī)模為48億韓元（約2578萬人民幣），合同期限至2025年10月。
Sapien半導體的LEDoS互補金屬氧化物半導體（CMOS）背板產(chǎn)品（來源：Sapien半導體）
演講主題：《硅基微顯示背板設計》
演講嘉賓：芯視元 CTO 陳弈星
芯視元CTO陳弈星女士詳細介紹了芯視元在硅基芯片設計領域的創(chuàng)新成果，包括微顯示、空間光調(diào)制器及定制驅(qū)動板的研發(fā)。她重點討論了硅基微顯示背板設計中的關鍵技術挑戰(zhàn)，如晶圓鍵合和彩色化技術，并分享了相關的背板設計挑戰(zhàn)和解決方案。
創(chuàng)新南京當時消息顯示，該項目主要建設晶圓廠、封裝測試廠以及IC設計中心，產(chǎn)品包括OLED顯示面板驅(qū)動芯片、硅基OLED顯示芯片和圖像傳感CIS芯片等。
因而不需要如硅基芯片一樣挖溝槽來縮Pitch。未來幾年，平面型MOSFET技術依然是車用碳化硅MOSFET的主流。基于平面柵結(jié)構，派恩杰已經(jīng)發(fā)布了650V-1700V各個電壓平臺的SiC MOSFET，而且已經(jīng)順利在新能源龍頭企業(yè)批量供貨，實現(xiàn)“上車”。
至于未來國產(chǎn)SiC廠商何時要“挖溝”目前還不好說。
