探尋后摩爾時代 | 碳基半導體：從材料突圍
來源:中國電子報、電子信息產業網
編者按：過去的半個多世紀，半導體行業一直遵循摩爾定律的軌跡高速發展，如今單純靠提升工藝來提升芯片性能的方法已經無法充分滿足時代的需求，半導體行業也逐步進入了“后摩爾時代”。后摩爾時代的來臨，給中國集成電路產業發展帶來新的發展機會，《中國電子報》推出“探尋后摩爾時代集成電路的顛覆性技術”系列報道，對集成電路潛在顛覆性技術進行梳理，探討每一項技術的發展現狀、產業難題、未來前景。敬請關注。
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，無法滿足行業未來進一步發展的需要，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，會是碳基半導體嗎？現階段，碳基半導體如何從實驗室的“玻璃房”走出，將自身的潛力真正發揮出來，仍然是業內關注的焦點與面臨的難點。
碳基半導體獨具優勢
遵循摩爾定律這一半導體業界的“金科玉律”，硅基半導體芯片的性能每隔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納米節點以后，硅芯片的發展開始面臨很多物理限制，業內逐漸涌現出“摩爾定律已死”、“硅基技術走到盡頭”等觀點。碳基半導體被認為是后摩爾時代的顛覆性技術之一。
碳基半導體是一種在碳基納米材料基礎上發展的，以碳納米管（CNT）、石墨烯為代表的半導體材料。ITRS研究報告曾明確指出，未來半導體行業的研究重點應聚焦于碳基電子學。
為延續摩爾定律，研究人員對新材料和新型器件結構進行了不斷探索。引無數科研人員“競折腰”的碳基半導體，相比傳統硅基技術究竟具備哪些優勢？
北京碳基集成電路研究院的技術人員此前向《中國電子報》記者表示，碳基技術有著比硅基技術更優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納米技術節點的硅基芯片，采用28納米工藝的碳基芯片則可以實現等同于7納米技術節點的硅基芯片。
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體具備的技術優勢。“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良的導熱性。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倍的優勢，即9倍左右的能量延遲積（EDP）的優勢?！甭閳虮髮τ浾哒f。
石墨烯材料的使用同樣是體現碳基半導體優勢的有力證明。麻堯斌向記者指出，石墨烯具有載流子遷移率高和熱導率好等優良特性，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，石墨烯有望在實現更小尺寸芯片、3D封裝互連和優化芯片散熱等方面發揮重要作用。
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碳納米管技術曙光微露
事實上，人們對碳基半導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一直以來都吸引了無數科學家的目光。1991年，現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生的碳纖維產物時，就意外地發現了碳納米管。根據他的觀察，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?！蹲匀弧冯s志發表的一篇論文顯示，美國麻省理工學院的MaxShulaker及同事設法設計和構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，其設計和制造方法克服了之前與碳納米管相關的挑戰，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”，并在測試中成功執行了一個程序，生成消息：“你好，世界！我是RV16XNano，由碳納米管制成?！?br/>
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體材料的重大研究成果也讓業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》雜志發表《用于高性能電子學的高密度半導體碳納米管平行陣列》論文，介紹了團隊最新發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體材料制備的材料純度、密度和面積問題。
有關碳基半導體的研究進展并不總是一帆風順，“大浪淘沙”之后，一些機構與企業在該領域的研究已經陷入停滯。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進展。
碳基與硅基電路需差異化發展
盡管以碳納米管、石墨烯為代表的碳基半導體具備諸多技術優勢，市場潛力也有目共睹，但目前碳基半導體在高質量、批量化制備和實際應用方面還存在不少難點。
碳管要形成加工超大規模集成電路的薄膜，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體碳管膜；如果通過二次轉移定向組裝，就要滿足大面積（12英寸）的納米尺度極大規模集成電路工藝，因此批量化制造和產品良率可能會成為挑戰。
萬青認為，目前，雖然單個碳基器件已經做的很好了，但和硅集成電路相比，碳基半導體在納米尺度超大規模集成和產業化良率方面還存在一定問題。在常規集成電路應用方面，目前碳管電路可能還無法和硅基電路競爭，所以碳基半導體也許更需要差異化發展，未來有望在傳感、柔性系統等新領域尋找到出路。
麻堯斌向記者表示，實現超高半導體純度（>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在集成電路領域的快速應用。“在純度方面，當前制備的CNT會存在半導體和金屬CNT共生現象，金屬CNT的出現會導致器件、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比很小，這也會限制碳基半導體在邏輯電路上的應用。
從實驗室的“理想值”邁向市場中的規模化應用，碳基半導體的產業化道阻且長。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，碳基半導體材料已經實現了物理特性，但是要做成器件，還需要經歷很多工藝的打磨?！凹夹g實現與性價比的保證是碳基半導體實現產業化的前提?！北M管面臨困難與挑戰，但徐征仍對碳基半導體的未來充滿希望，“如果相關設備發展水平提高，碳基半導體產業能夠有工業化設備的支撐，碳基半導體是有可能實現規?；彤a業化發展的?！?br/>
在攻關碳基半導體這個漫長的征途中，業界需要修煉內功，并且形成體系化的技術積累。日前，彭練矛院士團隊方面也向記者表達了低調做事的意愿，這或許能夠從側面說明，要想讓碳基半導體產業實現進一步發展，業界仍需潛心研發，做到腳踏實地。
