本文來自中國電子報(bào)，作者/劉華平。
傳統(tǒng)的硅基半導(dǎo)體技術(shù)是信息社會(huì)的基礎(chǔ)，推動(dòng)了人類社會(huì)的深刻變革。硅基集成電路的發(fā)展一直遵循摩爾定律，其集成度每隔18個(gè)月翻一番，從而使自身性能不斷提高。然而隨著器件尺寸的持續(xù)縮減和集成度的增加，近年來硅基器件逐漸逼近其物理極限，器件加工難度和加工成本的大幅提高，導(dǎo)致摩爾定律逐漸失效。隨著信息社會(huì)的發(fā)展，以人工智能、大數(shù)據(jù)快速處理以及傳輸為基礎(chǔ)的現(xiàn)代信息社會(huì)對數(shù)據(jù)的計(jì)算、存儲(chǔ)等能力的需求與日俱增。為了延續(xù)和拓展摩爾定律，業(yè)界開始不斷探索新材料和新器件。
各界爭相布局碳基半導(dǎo)體
碳納米管從概念上可以看作是石墨烯卷曲形成的一維管狀分子，具有極高的電子和空穴遷移率。相對于硅基半導(dǎo)體，碳納米管的電子遷移率提高了60倍，空穴遷移率提高了250倍。這些特點(diǎn)有利于制備速度更高、功耗更低的電子器件。另外，碳納米管的直徑只有1nm左右，本征電容很小，所以展現(xiàn)出了良好的柵控特性，有利于抑制短溝道效應(yīng)，能夠制備小尺寸器件。根據(jù)理論計(jì)算和模擬仿真預(yù)測，相對于傳統(tǒng)的硅基晶體管，碳納米管晶體管具有10倍的綜合性能優(yōu)勢，而基于碳納米管器件的三維集成系統(tǒng)更是具有1000倍的能效優(yōu)勢，因此碳納米管被認(rèn)為是延續(xù)摩爾定律的理想電子材料。此外，碳納米管強(qiáng)的碳-碳共價(jià)鍵、良好的熱激發(fā)特性、優(yōu)異的柔韌和耐彎曲特性等使其在抗輻照器件、低溫器件以及柔性器件方面也具有巨大的應(yīng)用前景。
碳納米管在構(gòu)建高速、低功耗以及短溝道器件方面具有巨大優(yōu)勢，在構(gòu)建高性能集成電路技術(shù)方面具備可行性，是延續(xù)和拓展摩爾定律的理想半導(dǎo)體材料。
自2009年以來，電氣和電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）在國際器件與系統(tǒng)路線圖（IRDS）中多次將碳納米管推薦為延續(xù)摩爾定律的理想半導(dǎo)體材料。近年來，包括美國斯坦福大學(xué)、麻省理工學(xué)院等在內(nèi)的各大國際著名研究機(jī)構(gòu)，以及IBM和臺(tái)積電（TSMC）等知名企業(yè)研發(fā)團(tuán)隊(duì)，都在碳基半導(dǎo)體領(lǐng)域投入了巨大精力，持續(xù)推動(dòng)碳基半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展。
2017年，IBM研究團(tuán)隊(duì)利用末端接觸技術(shù)，結(jié)合原子層沉積技術(shù)制備氧化鋁柵介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了接觸長度和溝道長度均為10nm，但整體尺寸相當(dāng)于硅基5nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)的單根碳納米管器件，它的整體性能優(yōu)勢達(dá)到了硅基先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)的兩倍。隨后，該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步基于碳納米管陣列薄膜，構(gòu)建了柵長為100nm的CMOS五級(jí)環(huán)振器，刷新了碳基數(shù)字電路工作的速度。2018年，IBM研究團(tuán)隊(duì)基于網(wǎng)絡(luò)半導(dǎo)體碳納米管薄膜在柔性基板上構(gòu)建的碳納米管CMOS電路，展現(xiàn)了碳基柔性電路優(yōu)異的性能。
除IBM之外，臺(tái)積電在2018年的國際電子元件會(huì)議（IEDM）上提出了將碳納米管半導(dǎo)體技術(shù)寫入其未來發(fā)展路線圖；2018年，美國威斯康星大學(xué)麥迪遜分校研究團(tuán)隊(duì)基于高密度半導(dǎo)體碳納米管陣列薄膜，構(gòu)建的晶體管開態(tài)電流密度超過了具有相同柵長的硅和GaAS晶體管器件；2017年，斯坦福大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)將上百萬個(gè)碳納米管晶體管和RAM存儲(chǔ)器集成在硅電路的上方，構(gòu)建了感存算一體的三維集成電路，初步證明了碳基異質(zhì)三維集成電路的技術(shù)可行性。隨后，該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步構(gòu)建了完全由碳納米管CMOS器件和RRAM器件構(gòu)成的碳基單片三維集成系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅可以準(zhǔn)確運(yùn)行分類識(shí)別算法，而且相比同尺寸的硅基電路，具備更高的系統(tǒng)能效和更小的電路面積。2019年，美國麻省理工學(xué)院（MIT）團(tuán)隊(duì)基于碳納米管薄膜，構(gòu)建了碳納米管16位RV16X-NANO微處理器。該處理器可以執(zhí)行指令獲取、解碼、計(jì)算以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等操作，在理論上可以對標(biāo)英特爾公司于1985年推出的硅基80386處理器芯片。2020年，該團(tuán)隊(duì)與芯片代工企業(yè)SkyWater合作，利用商業(yè)硅基芯片生產(chǎn)線對8英寸晶圓碳納米管薄膜器件進(jìn)行流片，實(shí)現(xiàn)了良率可控、性能均一性較好的碳納米管晶體管陣列的制備。
產(chǎn)業(yè)化之路未來可期
總體來說，對于碳基半導(dǎo)體技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化，無論是材料制備還是原型器件的構(gòu)建，已經(jīng)沒有不可逾越的技術(shù)障礙，因此長期來看，碳基半導(dǎo)體技術(shù)具有巨大的商業(yè)化應(yīng)用前景。但是每一種技術(shù)的成熟都需要經(jīng)歷一個(gè)長期積累的過程。以傳統(tǒng)的硅基半導(dǎo)體技術(shù)為例，從硅半導(dǎo)體材料的制備再到硅基集成電路的應(yīng)用，其實(shí)已經(jīng)經(jīng)歷了百余年的時(shí)間。
從材料的角度來看，業(yè)界面臨的基礎(chǔ)性問題之一是碳納米管結(jié)構(gòu)的精確可控問題?，F(xiàn)階段，業(yè)界對于碳納米管的結(jié)構(gòu)控制主要有兩種途徑：一種是通過生長直接控制碳納米管結(jié)構(gòu)；另一種是先合成包含不同結(jié)構(gòu)的混合物，再通過分離純化制備所需結(jié)構(gòu)的碳納米管。
通過生長直接實(shí)現(xiàn)對碳納米管結(jié)構(gòu)的控制，是最為理想的方法之一，可以實(shí)現(xiàn)簡單且低成本的制備。需要看到的是，盡管通過生長調(diào)控技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了高純半導(dǎo)體碳納米管，甚至是單一手性碳納米管的可控制備，但是由于可控生長制備窗口較窄、生長效率低，目前仍然無法滿足大面積碳基集成電路應(yīng)用的需求。
相對直接生長法，分離純化對碳納米管的結(jié)構(gòu)具有較易控制的特點(diǎn)。近年來，溶液法分離碳納米管結(jié)構(gòu)的研究取得了突破性進(jìn)展。其中，美國杜邦公司、美國西北大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)、美國萊斯大學(xué)、美國標(biāo)準(zhǔn)國家實(shí)驗(yàn)室（NIST）研究團(tuán)隊(duì)、德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院、日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所研究團(tuán)隊(duì)均通過液相分離技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了多種單一手性碳納米管的分離制備。目前，業(yè)界已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)30余種單一手性半導(dǎo)體碳納米管的制備，但是單一手性碳納米管的規(guī)?；苽淙匀幻媾R巨大的挑戰(zhàn)。
接下來，業(yè)界還需要對碳基器件結(jié)構(gòu)和集成電路工藝進(jìn)一步優(yōu)化，發(fā)展和建立材料制備、器件加工以及表征的標(biāo)準(zhǔn)化過程，減小大面積集成電路中器件性能的波動(dòng)性。相信經(jīng)過長期的技術(shù)優(yōu)化與迭代，高性能碳基集成電路的大規(guī)模商業(yè)化有望在不遠(yuǎn)的將來得以實(shí)現(xiàn)。
