碳芯片技术迈向商业化

为各种有机化合物基础成分的碳(cabon)，注定将取代它在化学元素周期表的楼下邻居硅(Si)成为未来半导体组件的材料首选？无论是哪种结构，碳在散热、频率范围甚至超导电性的表现上都优于硅。

市场研究机构Gartner资深分析师Dean Freeman认为，在碳科技中已经最接近商业化的，就是发展时间已经超过15年的钻石。钻石是三维架构的碳，根据供应硅晶圆片上40纳米(nm)~15微米(micron)钻石薄膜的厂商指出，其散热效率是硅的10倍。

二维架构的碳，是厚度3埃(angstrom)的单分子层，又称为石墨烯(graphene)，则可藉由比硅高十倍的电子迁移率，达到兆兆赫(terahertz)等级的频率表现。至于一维架构的碳，则是直径1nm的纳米管(nanotube)，其超越硅的特长则在于速度，可达到有机晶体管的10倍。

还有零维架构的碳，是一种60个原子大小的中空球体，称为富勒烯(fullerenes)；这种材料则能解决硅无法达到高温超导体的问题。与碱金属(alkali-metal)原子插层(Intercalation)排列、紧密封装的富勒烯，能在38K温度下达到超导。

在接下来的几年内，碳制程技术就可能取代几乎所有的电路材料，例如互连组件用的导体、我们熟知的半导体，以及隔离装置用的绝缘体。但产业界最快何时会开始大量使用碳材料，特别是在眼前不明朗的经济情势下，还有待观察。

Gartner的Freeman指出，有两家美国公司Nantero与SVTC曾合作为无晶圆厂IC供货商提供业界首创的纳米管薄膜开发代工服务，旨在为商业CMOS芯片添加纳米管薄膜制做的高性能导线。Nantero虽已用碳纳米管开发出数款组件，却找不到有意将这些组件商业化的客户。

「碳纳米管已经被22纳米制程以下的CMOS组件，视为最可行的导线材料；这意味着还需要至少五年才会看到其商业化。」Freeman表示。

包括杜邦(DuPont)等大公司也开发过碳纳米管薄膜，NEC还曾将其实际应用在采用软性塑料基板的电子组件上。还有Nanocomp等公司则是将奈米管 嵌入碳纤维板中，可感测裂缝或是其它的结构缺陷；此外正在开发的纳米管缆线不但在导电性上媲美铜，重量还能减轻80%。

正在公司内部主导碳晶体管技术研究的IBM院士Phaedon Avouris则表示，纳米碳管已经被用来制造导电、散热性更好的各种材料，而他认为在软性基板上制造具备微米级信道的薄膜晶体管，会是纳米碳管的首度商业化应用。

碳电子组件的开发者并不是打算跟发展成熟的硅半导体技术打对台，而是希望创造出一个具备全新电子功能的族系；从让人忆起旧时大型硅晶体管的微米尺寸组件开始。

现在已有美国业者厂商如Applied Nanotech开发出印刷式的纳米管墨水(ink)，可搭配如Optomec等公司提供、采用非接触式悬浮微粒喷墨印刷机的低温沉积系统；这些成本低廉的生产设备能锁定诸如塑料太阳能电池、RFID卷标等对价格敏感的市场。