探尋后摩爾時代 | 碳基半導(dǎo)體：從材料突圍
探尋后摩爾時代 | 碳基半導(dǎo)體：從材料突圍
來源:中國電子報、電子信息產(chǎn)業(yè)網(wǎng)
編者按：過去的半個多世紀，半導(dǎo)體行業(yè)一直遵循摩爾定律的軌跡高速發(fā)展，如今單純靠提升工藝來提升芯片性能的方法已經(jīng)無法充分滿足時代的需求，半導(dǎo)體行業(yè)也逐步進入了“后摩爾時代”。后摩爾時代的來臨，給中國集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來新的發(fā)展機會，《中國電子報》推出“探尋后摩爾時代集成電路的顛覆性技術(shù)”系列報道，對集成電路潛在顛覆性技術(shù)進行梳理，探討每一項技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀、產(chǎn)業(yè)難題、未來前景。敬請關(guān)注。
隨著芯片制造工藝逼近2納米，硅基芯片材料的潛力已基本被挖掘殆盡，無法滿足行業(yè)未來進一步發(fā)展的需要，啟用新材料是公認的從根本上解決芯片性能問題的出路。如果摩爾定律真的失效了，逐漸逼近物理極限的硅基芯片很可能會處于“山窮水復(fù)疑無路”的境地。在這種情況下，帶我們看到“柳暗花明又一村”景象的救星，會是碳基半導(dǎo)體嗎？現(xiàn)階段，碳基半導(dǎo)體如何從實驗室的“玻璃房”走出，將自身的潛力真正發(fā)揮出來，仍然是業(yè)內(nèi)關(guān)注的焦點與面臨的難點。
碳基半導(dǎo)體獨具優(yōu)勢
遵循摩爾定律這一半導(dǎo)體業(yè)界的“金科玉律”，硅基半導(dǎo)體芯片的性能每隔18～24個月便會提升一倍。但隨著芯片尺寸不斷縮小，特別是當芯片制造工藝水平進入5納米節(jié)點以后，硅芯片的發(fā)展開始面臨很多物理限制，業(yè)內(nèi)逐漸涌現(xiàn)出“摩爾定律已死”、“硅基技術(shù)走到盡頭”等觀點。碳基半導(dǎo)體被認為是后摩爾時代的顛覆性技術(shù)之一。
碳基半導(dǎo)體是一種在碳基納米材料基礎(chǔ)上發(fā)展的，以碳納米管（CNT）、石墨烯為代表的半導(dǎo)體材料。ITRS研究報告曾明確指出，未來半導(dǎo)體行業(yè)的研究重點應(yīng)聚焦于碳基電子學。
為延續(xù)摩爾定律，研究人員對新材料和新型器件結(jié)構(gòu)進行了不斷探索。引無數(shù)科研人員“競折腰”的碳基半導(dǎo)體，相比傳統(tǒng)硅基技術(shù)究竟具備哪些優(yōu)勢？
北京碳基集成電路研究院的技術(shù)人員此前向《中國電子報》記者表示，碳基技術(shù)有著比硅基技術(shù)更優(yōu)的性能和更低的功耗。比如，采用90納米工藝的碳基芯片有望制備出性能和集成度相當于28納米技術(shù)節(jié)點的硅基芯片，采用28納米工藝的碳基芯片則可以實現(xiàn)等同于7納米技術(shù)節(jié)點的硅基芯片。
賽迪智庫集成電路研究所研究員麻堯斌以碳納米管為例，向《中國電子報》記者表明了碳基半導(dǎo)體具備的技術(shù)優(yōu)勢。“CNT（碳納米管）具有極高的載流子遷移率、非常薄的主體尺寸和優(yōu)良的導(dǎo)熱性。基于CNFET處理器的工作速度和能耗相比于硅基處理器可均具有約3倍的優(yōu)勢，即9倍左右的能量延遲積（EDP）的優(yōu)勢。”麻堯斌對記者說。
石墨烯材料的使用同樣是體現(xiàn)碳基半導(dǎo)體優(yōu)勢的有力證明。麻堯斌向記者指出，石墨烯具有載流子遷移率高和熱導(dǎo)率好等優(yōu)良特性，這使得石墨烯晶體管可獲得高的信號傳輸速度和良好的散熱性。未來，石墨烯有望在實現(xiàn)更小尺寸芯片、3D封裝互連和優(yōu)化芯片散熱等方面發(fā)揮重要作用。
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碳納米管技術(shù)曙光微露
事實上，人們對碳基半導(dǎo)體材料的追逐與探索并不是近幾年才開始的，運用新材料的碳納米管技術(shù)一直以來都吸引了無數(shù)科學家的目光。1991年，現(xiàn)已當選為中國科學院外籍院士的日本物理學家飯島澄男，在使用高分辨透射電子顯微鏡來觀測用電弧法產(chǎn)生的碳纖維產(chǎn)物時，就意外地發(fā)現(xiàn)了碳納米管。根據(jù)他的觀察，碳納米管由碳分子管狀排列而成，可看作是由單層石墨卷成了一個“圓筒”，需要由石墨棒等碳材料經(jīng)特殊方法制備而成。
2019年8月，一項碳納米管的研究成果再次讓“你好，世界”這串每個程序員都熟知的字符轟動全球。《自然》雜志發(fā)表的一篇論文顯示，美國麻省理工學院的MaxShulaker及同事設(shè)法設(shè)計和構(gòu)建了一種碳納米管微處理器。這個微處理器是利用14,000多個碳納米管（CNT）晶體管制造出來的16位微處理器，其設(shè)計和制造方法克服了之前與碳納米管相關(guān)的挑戰(zhàn)，有望為先進微電子裝置中的硅帶來一種高效能的替代品。這個微處理器被命名為“RV16X-NANO”，并在測試中成功執(zhí)行了一個程序，生成消息：“你好，世界！我是RV16XNano，由碳納米管制成。”
麻堯斌告訴記者，臺積電、斯坦福大學和加州大學圣地亞哥分校研究人員亦聯(lián)合研制了具有10nm柵極長度和68mV/dec亞閾值擺幅的頂柵CNFET（碳納米管場效應(yīng)晶體管）等。
去年，中國科學院院士、北京大學電子學系教授彭練矛和張志勇教授團隊針對碳基半導(dǎo)體材料的重大研究成果也讓業(yè)界在后摩爾時代看到了新的希望。2020年5月22日，該團隊在《科學》雜志發(fā)表《用于高性能電子學的高密度半導(dǎo)體碳納米管平行陣列》論文，介紹了團隊最新發(fā)展的多次提純和維度限制自組裝方法，該方法解決了長期困擾碳基半導(dǎo)體材料制備的材料純度、密度和面積問題。
有關(guān)碳基半導(dǎo)體的研究進展并不總是一帆風順，“大浪淘沙”之后，一些機構(gòu)與企業(yè)在該領(lǐng)域的研究已經(jīng)陷入停滯。早在2014年，IBM就拋出豪言壯語，稱要在2020年之前利用碳納米管制備出比當時快5倍的芯片，但目前尚未有更進一步的研發(fā)進展。
碳基與硅基電路需差異化發(fā)展
盡管以碳納米管、石墨烯為代表的碳基半導(dǎo)體具備諸多技術(shù)優(yōu)勢，市場潛力也有目共睹，但目前碳基半導(dǎo)體在高質(zhì)量、批量化制備和實際應(yīng)用方面還存在不少難點。
碳管要形成加工超大規(guī)模集成電路的薄膜，這個過程其實并不容易。南京大學電子科學與工程學院教授萬青向《中國電子報》記者表達了自己的觀點：如果是直接定向生長，那么很難獲得高密度完美半導(dǎo)體碳管膜；如果通過二次轉(zhuǎn)移定向組裝，就要滿足大面積（12英寸）的納米尺度極大規(guī)模集成電路工藝，因此批量化制造和產(chǎn)品良率可能會成為挑戰(zhàn)。
萬青認為，目前，雖然單個碳基器件已經(jīng)做的很好了，但和硅集成電路相比，碳基半導(dǎo)體在納米尺度超大規(guī)模集成和產(chǎn)業(yè)化良率方面還存在一定問題。在常規(guī)集成電路應(yīng)用方面，目前碳管電路可能還無法和硅基電路競爭，所以碳基半導(dǎo)體也許更需要差異化發(fā)展，未來有望在傳感、柔性系統(tǒng)等新領(lǐng)域?qū)ふ业匠雎贰?br/>
麻堯斌向記者表示，實現(xiàn)超高半導(dǎo)體純度（>99.9999%）、順排（取向角＜9°）、高密度（100～200/μm）、大面積均勻的CNT陣列薄膜的批量化制備目前存在困難，這阻礙了CNFET在集成電路領(lǐng)域的快速應(yīng)用。“在純度方面，當前制備的CNT會存在半導(dǎo)體和金屬CNT共生現(xiàn)象，金屬CNT的出現(xiàn)會導(dǎo)致器件、芯片電學性能的嚴重退化。”麻堯斌說。
就石墨烯而言，麻堯斌表示，本征石墨烯的零帶隙特征使得石墨烯晶體管開關(guān)比很小，這也會限制碳基半導(dǎo)體在邏輯電路上的應(yīng)用。
從實驗室的“理想值”邁向市場中的規(guī)模化應(yīng)用，碳基半導(dǎo)體的產(chǎn)業(yè)化道阻且長。北京交通大學理學院教授徐征向《中國電子報》記者表示，目前，碳基半導(dǎo)體材料已經(jīng)實現(xiàn)了物理特性，但是要做成器件，還需要經(jīng)歷很多工藝的打磨。“技術(shù)實現(xiàn)與性價比的保證是碳基半導(dǎo)體實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的前提。”盡管面臨困難與挑戰(zhàn)，但徐征仍對碳基半導(dǎo)體的未來充滿希望，“如果相關(guān)設(shè)備發(fā)展水平提高，碳基半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)能夠有工業(yè)化設(shè)備的支撐，碳基半導(dǎo)體是有可能實現(xiàn)規(guī)模化和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的。”
在攻關(guān)碳基半導(dǎo)體這個漫長的征途中，業(yè)界需要修煉內(nèi)功，并且形成體系化的技術(shù)積累。日前，彭練矛院士團隊方面也向記者表達了低調(diào)做事的意愿，這或許能夠從側(cè)面說明，要想讓碳基半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)進一步發(fā)展，業(yè)界仍需潛心研發(fā)，做到腳踏實地。
