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石墨烯材料在半导体中的应用

  • 作 者:鲍婕 宁仁霞 许媛
  • 策划编辑:李惠萍
  • 书代号:634000
  • I S B N:978-7-5606-6038-7
  • 出版日期:2021-06
  • 印刷日期:2021-06
  • 业务分类:本科;
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    内容简介
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    由于石墨烯材料具有众多的优异特性,使其在半导体领域有着广阔的应用前景,本书详细介绍了石墨烯材料在半导体中的应用。全书共8章,包含三大部分内容,分别为石墨烯材料简述(第1~3章)、石墨烯在半导体器件中的应用(第4~6章)和石墨烯在半导体封装散热中的应用(第7~8章)。石墨烯材料简述部分介绍了石墨烯材料及其发展和产业现状,石墨烯材料的制备、转移及特性,以及石墨烯材料在半导体领域的应用发展;石墨烯在半导体器件中的应用部分介绍了石墨烯人工电磁材料的吸波特性、传感器特性以及其在新型器件中的应用;石墨烯在半导体封装散热中的应用部分介绍了石墨烯材料在IGBT、LED等功率分立器件和IGBT、IPM、PIM等功率模块中的封装散热设计以及应用仿真。

    本书是一本理论基础和应用研究相结合的专著,可供从事石墨烯材料相关研究的工程技术人员参考使用,也可作为高校电子、机械、微电子、材料等相关专业研究生和教师的参考书。

    2010年10月5日,诺贝尔物理学奖颁给了安德烈·海姆(Andre.K.Geim)和他的学生康斯坦丁·诺沃肖洛夫(Konstantin.S.Novoselov),自那时起,全球掀起了石墨烯材料的研究热潮。作为二维晶体材料的代表,石墨烯具有很多块状晶体材料难以比拟的优异性能,如具有高载流子迁移率、高导热性、高强度、高透明性等,这些优异的性能为石墨烯材料在众多产业领域的应用带来了希望,如电子信息、光通信、新能源、新材料、节能环保、医疗健康、航空航天以及国防军工等领域,因此石墨烯材料被称为“新材料之王”。然而,经过十年来的开发,石墨烯材料在从实验室走向产业化的过程中,无论在制备工艺、性能表征、转移方法方面还是在产品应用等方面,都遇到了很多严峻的挑战。

    我国对石墨烯产业的关注与世界同步,研究行动上甚至更为迅速,在国家政策的支持和推动下,无论是相关的学术论文还是专利申请,数量都高居全球榜首,“石墨烯产业园”“石墨烯产业创新中心”等遍布全国各地。但不可否认的是,我国的石墨烯产业发展也存在一些不健康的因素,目前的产业研究从总体上来看,技术含量和产品附加值都不高,石墨烯产品低端化、同质化现象严重,对于石墨烯材料的“杀手锏”应用重视不够,研发投入力度小、持续性不强,缺乏龙头企业带动,导致石墨烯研究核心竞争力不足。作为石墨烯材料的发源地,欧盟2013年启动了“石墨烯旗舰计划”,每年投入1亿欧元,连续10年,所布局的领域基本以光电器件、传感器、医疗器件、柔性储能器件等为主,与美国的研究方向大体一致。而我国在电子信息领域的石墨烯产业研究尚不足2%,相比于能够立竿见影带来效益的石墨烯产品(如占据了石墨烯市场份额7%之多的大健康产品),这种未来型的高端应用研究反而投入不够。

    中国科学院院士、北京大学刘忠范教授在2017年接受采访时曾明确表达了对我国石墨烯产业发展中存在问题的担忧,并得到了国家领导人的高度关注和批示。由刘忠范院士和成会明院士担任负责人,相关专家经过一年的努力,对我国石墨烯产业发展的关键问题及对策进行了调研和梳理,在一定程度上推动了我国石墨烯产业的健康发展。在安徽省科技重大专项、安徽省重点研究与开发计划、安徽省智能微系统工程技术研究中心等相关项目经费的支持下,我们团队从石墨烯材料在半导体器件、半导体封装中的应用等方面开展研究,积累了丰富的研究经验。本书是我们研究团队对过去六年研究工作的总结与凝练,重点介绍了石墨烯人工电磁材料在吸波器、传感器等半导体器件中的应用设计和仿真验证,以及石墨烯材料在功率半导体器件和模块封装中的散热应用。鉴于编者水平有限,我们谨希望本书能够为从事石墨烯在半导体领域应用研发的科研人员和工程师提供一些参考。

    全书共8章。第1章简述石墨烯材料的晶格、能带结构和表征方法,阐述石墨烯材料的发展历程和产品形态,介绍石墨烯产业的应用领域和国内外产业发展现状。第2章介绍石墨烯材料的制备方法、转移方法,石墨烯的基本电学特性和基本热学特性。第3章概述石墨烯材料在半导体器件中的应用,包括场效应晶体管、逻辑电路、高频器件、传感器、存储器件和电磁器件等,介绍石墨烯材料在半导体封装中的应用,包括散热片、热界面材料、热沉、互连和无源元件等。第4章介绍石墨烯人工电磁材料吸波器的原理、性能和分析方法,以及其在全向器件、双频吸波器、宽带吸波器和可调谐吸波器等中的应用。第5章介绍石墨烯人工电磁材料传感器的原理和性能指标,以及微波段、光波段和太赫兹波段石墨烯人工电磁材料传感器的结构设计和建模仿真。第6章介绍石墨烯人工电磁材料在新型电磁器件中的应用设计,包括全向慢光器件、双向电磁器件、滤波器和极化转换器等。第7章介绍石墨烯材料在单管绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、大功率发光二极管(LED)等功率半导体分立器件中的封装散热设计和应用仿真,并介绍了宽禁带半导体氮化镓高电子迁移率晶体管(GaN HEMT)的封装和石墨烯材料的散热应用。第8章介绍石墨烯材料在IGBT模块、智能功率模块(IPM)以及宽禁带半导体碳化硅(SiC)混合功率集成模块(PIM)等功率半导体模块中的封装散热应用设计和建模仿真。

    本书各章初稿撰写具体分工如下:第1章和第2章由鲍婕教授和许媛副教授共同撰写;第3章由鲍婕教授和宁仁霞副教授共同撰写;第4章至第6章由宁仁霞副教授撰写;第7章和第8章由许媛副教授撰写。全书统稿和完善工作由鲍婕教授完成。

    本书基于我们团队的研究成果整理而成,在此向参与研究工作的所有人员致以诚挚的感谢。在本书的编写过程中,陈珍海教授也提供了修改意见和建议,我们非常感激。此外,本书在编写过程中参考了大量国内外的相关书籍和论文、专利,主要文献资料已列入书末参考文献中,但难免会有遗漏,在此向相关作者一并表示衷心的感谢。

    本书的出版得到了安徽省科技重大专项、安徽省重点研究与开发计划项目、安徽省教育厅自然科学研究重点项目的资助。

    由于作者水平有限,书中难免存在诸多不足,恳请广大读者批评指正。

    著 者

    2021年4月15日于黄山

    第1章 石墨烯材料及其发展和产业现状 (1)

    1.1 石墨烯材料的基本结构和表征方法 (1)

    1.1.1 石墨烯材料的晶格和能带结构 (1)

    1.1.2 石墨烯材料的表征方法 (4)

    1.2 石墨烯材料的发展历程和产品形态 (9)

    1.2.1 石墨烯材料的发展历程 (9)

    1.2.2 石墨烯材料的产品形态 (10)

    1.3 石墨烯材料的产业现状 (16)

    1.3.1 国内石墨烯产业的发展和分布格局 (16)

    1.3.2 国内外石墨烯产业发展的对比 (19)

    本章小结 (20)

    第2章 石墨烯材料的制备、转移及特性 (21)

    2.1 石墨烯材料的制备方法 (21)

    2.1.1 机械剥离法 (21)

    2.1.2 化学剥离法 (22)

    2.1.3 氧化还原法 (23)

    2.1.4 化学气相沉积法 (25)

    2.1.5 SiC表面外延生长法 (28)

    2.1.6 电弧放电法 (29)

    2.1.7 其他方法 (29)

    2.2 石墨烯材料的转移方法 (30)

    2.2.1 聚合物辅助转移法 (30)

    2.2.2 直接转移法 (32)

    2.3 石墨烯材料的电学特性 (34)

    2.3.1 石墨烯材料的基本电学性质 (34)

    2.3.2 石墨烯材料电学性质的调控 (35)

    2.4 石墨烯材料的热学特性 (40)

    2.4.1 石墨烯热学特性的影响因素 (40)

    2.4.2 石墨烯材料热学性质的调控 (41)

    2.4.3 石墨烯材料的热导率测试 (42)

    本章小结 (44)

    第3章 石墨烯材料在半导体领域的应用发展 (45)

    3.1 石墨烯材料在半导体领域的应用概述 (45)

    3.2 石墨烯材料在半导体器件中的应用 (47)

    3.2.1 石墨烯场效应晶体管 (47)

    3.2.2 石墨烯逻辑电路 (48)

    3.2.3 石墨烯高频器件 (49)

    3.2.4 石墨烯传感器 (49)

    3.2.5 石墨烯存储器件 (51)

    3.2.6 石墨烯电磁器件 (52)

    3.3 石墨烯材料在半导体封装中的应用 (52)

    3.3.1 石墨烯散热片 (52)

    3.3.2 石墨烯基热界面材料 (54)

    3.3.3 石墨烯热沉 (54)

    3.3.4 石墨烯互连 (56)

    3.3.5 石墨烯无源元件 (56)

    本章小结 (56)

    第4章 石墨烯人工电磁材料的吸波特性 (58)

    4.1 石墨烯人工电磁材料吸波器概述 (58)

    4.2 石墨烯人工电磁材料吸波器性能与分析 (60)

    4.2.1 石墨烯电磁理论模型 (60)

    4.2.2 人工电磁材料吸波原理 (60)

    4.2.3 石墨烯人工电磁吸波器分析方法 (62)

    4.3 石墨烯人工电磁材料在全向器件中的应用 (63)

    4.3.1 概述 (63)

    4.3.2 石墨烯人工电磁材料的近红外可调谐吸波器 (65)

    4.3.3 石墨烯人工电磁材料的完美吸波器 (69)

    4.4 石墨烯人工电磁材料在双频吸波器中的应用 (72)

    4.4.1 概述 (72)

    4.4.2 结构设计与结果分析 (72)

    4.4.3 吸波特性分析 (74)

    4.5 石墨烯双曲人工电磁材料及应用 (77)

    4.5.1 石墨烯双曲材料的电磁特性 (78)

    4.5.2 石墨烯双曲材料在角度可调谐吸波器中的应用 (79)

    4.5.3 石墨烯双曲材料在宽带吸波器中的应用 (83)

    4.5.4 石墨烯双曲材料在双控可调谐吸波器中的应用 (93)

    本章小结 (98)

    第5章 石墨烯人工电磁材料传感器特性研究 (100)

    5.1 人工电磁材料传感器原理 (100)

    5.1.1 人工电磁材料折射率传感器基本概念 (100)

    5.1.2 人工电磁材料生物化学传感器基本原理 (102)

    5.1.3 人工电磁材料传感器性能指标 (103)

    5.2 微波段石墨烯人工电磁材料传感器特性与分析 (103)

    5.2.1 结构设计 (103)

    5.2.2 结果分析与性能讨论 (107)

    5.2.3 石墨烯人工电磁材料的传感特性 (107)

    5.3 光波段石墨烯人工电磁材料传感器 (109)

    5.3.1 双调谐人工电磁材料传感器设计 (109)

    5.3.2 多频点吸收型传感器设计 (113)

    5.3.3 单频点吸收型传感器设计 (119)

    5.4 太赫兹波段石墨烯人工电磁材料传感器设计 (124)

    5.4.1 结构设计 (125)

    5.4.2 结果分析与性能讨论 (125)

    本章小结 (127)

    第6章 石墨烯人工电磁材料在新型器件中的应用 (128)

    6.1 石墨烯人工电磁材料在全向慢光器件中的应用 (128)

    6.1.1 全向器件概述 (128)

    6.1.2 慢光器件概述 (129)

    6.1.3 石墨烯人工电磁材料的全向慢光器件设计与分析 (130)

    6.2 双向石墨烯人工电磁器件 (134)

    6.2.1 概述 (134)

    6.2.2 双向石墨烯人工电磁器件设计与分析 (135)

    6.3 石墨烯人工电磁材料在滤波器中的应用 (143)

    6.3.1 概述 (143)

    6.3.2 石墨烯人工电磁材料滤波器的设计 (144)

    6.4 石墨烯人工电磁材料在极化转换器中的应用 (145)

    6.4.1 概述 (145)

    6.4.2 极化转换器的基本原理 (146)

    6.4.3 石墨烯人工电磁材料极化转换器的设计 (147)

    本章小结 (150)

    第7章 石墨烯在功率器件散热中的应用 (151)

    7.1 功率半导体分立器件及其散热需求 (151)

    7.1.1 功率半导体分立器件概述 (151)

    7.1.2 功率半导体器件的热特性 (154)

    7.1.3 器件封装散热理论 (155)

    7.2 石墨烯在单管IGBT散热中的应用 (157)

    7.2.1 IGBT器件概述 (157)

    7.2.2 单管IGBT的封装结构及石墨烯应用 (162)

    7.3 石墨烯在大功率LED散热中的应用 (168)

    7.3.1 LED器件概述 (168)

    7.3.2 大功率LED的封装结构及石墨烯应用 (172)

    7.4 石墨烯在GaN功率器件散热中的应用 (177)

    7.4.1 GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)概述 (178)

    7.4.2 GaN HEMT器件的热管理问题 (181)

    7.4.3 石墨烯在GaN HEMT热管理中的应用 (183)

    本章小结 (185)

    第8章 石墨烯在功率模块散热中的应用 (186)

    8.1 功率半导体模块及其散热需求 (186)

    8.1.1 功率半导体模块概述 (186)

    8.1.2 功率半导体模块的散热需求 (192)

    8.2 石墨烯在IGBT模块散热中的应用 (193)

    8.2.1 IGBT模块概述 (193)

    8.2.2 IGBT模块的封装结构及石墨烯应用 (198)

    8.3 石墨烯在IPM散热中的应用 (202)

    8.3.1 IPM概述 (202)

    8.3.2 IPM的封装结构及石墨烯应用 (205)

    8.4 石墨烯在PIM散热中的应用 (211)

    8.4.1 PIM概述 (211)

    8.4.2 PIM的封装结构及石墨烯应用 (211)

    本章小结 (216)

    总结与展望 (217)

    主要参考文献 (219)

    石墨烯是21世纪的新兴战略材料。自2004年10月22日英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和他的学生康斯坦丁·诺沃肖洛夫在美国《科学》(Science)期刊上发表了关于使用胶带剥离法成功地从石墨中剥离出石墨烯的研究成果,至今已经将近17个年头。全球平均每年发表的石墨烯相关论文数以万计,各国政府、高等院校、科研院所和企业都投入了大量的人力、物力和财力,力求让石墨烯这颗耀眼的“科学新星”从实验室走向产业化。

    由于碳元素的电子结构可以形成多种成键方式,因此碳材料的种类具有多样性。作为碳家族的成员之一,二维的石墨烯与零维的富勒烯、一维的碳纳米管及三维的石墨和金刚石共同构成了完整的碳系家族。与其他碳材料相比,石墨烯具有完美的大π共轭体系和最薄的单层原子厚度,这使其表现出非常优异和独特的物理与化学性能,从而使其在电子器件、高性能复合材料、生物医疗等众多领域具有广阔的应用前景。

    纵观全球的石墨烯产业发展,英国政府在曼彻斯特大学创建了国家石墨烯研究院,后续又加大投资成立了石墨烯工程创新中心,旨在实现“发现在英国,制造也在英国”的国家目标;在2004—2013年间美国国家自然科学基金会资助了近500项石墨烯研究项目;2013年欧盟启动“石墨烯旗舰计划”,预计10年累计投资10亿欧元用于石墨烯材料的研究,2020年欧盟委员会宣布将在下一代电子和半导体领域投资2000万欧元,旨在将新一代材料从学术实验室引入半导体生产线。

    要提升石墨烯产业的竞争力,核心技术的掌握、产业特点的把握、产业方向的布局、产业模式的确立和资源的有效配置是决定石墨烯未来产业竞争的核心要素。在当前时代和技术背景下,无论是企业还是科研院所,都应该立足于自身的研究基础和产品优势,投入精力开展石墨烯材料在国家重要工业领域的应用研究,开发石墨烯材料的杀手锏应用产品。

    石墨烯作为新一代柔性透明导电薄膜材料,在半导体、电子信息等领域有着巨大的潜在应用优势,有望替代传统的氧化铟锡透明导电玻璃,推动柔性显示器、柔性触摸屏、柔性可穿戴器件、电子标签等柔性电子和光电子器件产业快速发展。在光电器件领域,基于石墨烯的光电探测器、传感器、电光调制器、锁模激光器、太赫兹发生器等都是未来产品的研发方向。除了上述应用以外,基于优异的电学性能和热学性能,石墨烯既可以单独用作电和热的传输通道,也可以作为填料与其他材料复合来提高复合材料的性能。石墨烯及其复合材料能够以散热材料、互连材料以及无源元件等多种方式应用于半导体封装中。

    本书是编者团队研究成果的总结凝练,对于石墨烯材料在半导体器件和封装中的应用发展具有参考意义。希望有更多的资源能够投入到石墨烯材料在半导体中的应用研究上来,共同挖掘石墨烯材料的巨大应用潜力。

    2021年4月16日

    石墨烯材料在半导体、电子信息领域有着巨大的潜在应用优势。本书介绍了石墨烯人工电磁材料在吸波器、传感器等半导体器件中的应用设计和仿真验证,以及石墨烯材料在功率半导体器件和模块封装中的散热应用,理论基础和工程实践相结合。

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