碳基半导体有望延续摩尔定律
2022.11.14
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传统的硅基半导体技术是信息社会的基础，推动了人类社会的深刻变革。硅基集成电路的发展一直遵循摩尔定律，其集成度每隔18个月翻一番，从而使自身性能不断提高。然而随着器件尺寸的持续缩减和集成度的增加，近年来硅基器件逐渐逼近其物理极限，器件加工难度和加工成本的大幅提高，导致摩尔定律逐渐失效。随着信息社会的发展，以人工智能、大数据快速处理以及传输为基础的现代信息社会对数据的计算、存储等能力的需求与日俱增。为了延续和拓展摩尔定律，业界开始不断探索新材料和新器件。各界争相布局碳基半导体 碳纳米管从概念上可以看作是石墨烯卷曲形成的一维管状分子，具有极高的电子和空穴迁移率。相对于硅基半导体，碳纳米管的电子迁移率提高了60倍，空穴迁移率提高了250倍。这些特点有利于制备速度更高、功耗更低的电子器件。另外，碳纳米管的直径只有1nm左右，本征电容很小，所以展现出了良好的栅控特性，有利于抑制短沟道效应，能够制备小尺寸器件。根据理论计算和模拟仿真预测，相对于传统的硅基晶体管，碳纳米管晶体管具有10倍的综合性能优势，而基于碳纳米管器件的三维集成系统更是具有1000倍的能效优势，因此碳纳米管被认为是延续摩尔定律的理想电子材料。此外，碳纳米管强的碳-碳共价键、良好的热激发特性、优异的柔韧和耐弯曲特性等使其在抗辐照器件、低温器件以及柔性器件方面也具有巨大的应用前景。 碳纳米管在构建高速、低功耗以及短沟道器件方面具有巨大优势，在构建高性能集成电路技术方面具备可行性，是延续和拓展摩尔定律的理想半导体材料。 自2009年以来，电气和电子工程师协会（IEEE）在国际器件与系统路线图（IRDS）中多次将碳纳米管推荐为延续摩尔定律的理想半导体材料。近年来，包括美国斯坦福大学、麻省理工学院等在内的各大国际著名研究机构，以及IBM和台积电（TSMC）等知名企业研发团队，都在碳基半导体领域投入了巨大精力，持续推动碳基半导体技术的发展。 2017年，IBM研究团队利用末端接触技术，结合原子层沉积技术制备氧化铝栅介质，实现了接触长度和沟道长度均为10nm，但整体尺寸相当于硅基5nm技术节点的单根碳纳米管器件，它的整体性能优势达到了硅基先进工艺节点的两倍。随后，该团队进一步基于碳纳米管阵列薄膜，构建了栅长为100nm的CMOS五级环振器，刷新了碳基数字电路工作的速度。2018年，IBM研究团队基于网络半导体碳纳米管薄膜在柔性基板上构建的碳纳米管CMOS电路，展现了碳基柔性电路优异的性能。 除IBM之外，台积电在2018年的国际电子元件会议（IEDM）上提出了将碳纳米管半导体技术写入其未来发展路线图；2018年，美国威斯康星大学麦迪逊分校研究团队基于高密度半导体碳纳米管阵列薄膜，构建的晶体管开态电流密度超过了具有相同栅长的硅和GaAS晶体管器件；2017年，斯坦福大学研究团队将上百万个碳纳米管晶体管和RAM存储器集成在硅电路的上方，构建了感存算一体的三维集成电路，初步证明了碳基异质三维集成电路的技术可行性。随后，该团队进一步构建了完全由碳纳米管CMOS器件和RRAM器件构成的碳基单片三维集成系统，该系统不仅可以准确运行分类识别算法，而且相比同尺寸的硅基电路，具备更高的系统能效和更小的电路面积。2019年，美国麻省理工学院（MIT）团队基于碳纳米管薄膜，构建了碳纳米管16位RV16X-NANO微处理器。该处理器可以执行指令获取、解码、计算以及数据存储等操作，在理论上可以对标英特尔公司于1985年推出的硅基80386处理器芯片。2020年，该团队与芯片代工企业SkyWater合作，利用商业硅基芯片生产线对8英寸晶圆碳纳米管薄膜器件进行流片，实现了良率可控、性能均一性较好的碳纳米管晶体管阵列的制备。产业化之路未来可期 总体来说，对于碳基半导体技术的产业化，无论是材料制备还是原型器件的构建，已经没有不可逾越的技术障碍，因此长期来看，碳基半导体技术具有巨大的商业化应用前景。但是每一种技术的成熟都需要经历一个长期积累的过程。以传统的硅基半导体技术为例，从硅半导体材料的制备再到硅基集成电路的应用，其实已经经历了百余年的时间。 从材料的角度来看，业界面临的基础性问题之一是碳纳米管结构的精确可控问题。现阶段，业界对于碳纳米管的结构控制主要有两种途径：一种是通过生长直接控制碳纳米管结构；另一种是先合成包含不同结构的混合物，再通过分离纯化制备所需结构的碳纳米管。 通过生长直接实现对碳纳米管结构的控制，是最为理想的方法之一，可以实现简单且低成本的制备。需要看到的是，尽管通过生长调控技术已经实现了高纯半导体碳纳米管，甚至是单一手性碳纳米管的可控制备，但是由于可控生长制备窗口较窄、生长效率低，目前仍然无法满足大面积碳基集成电路应用的需求。 相对直接生长法，分离纯化对碳纳米管的结构具有较易控制的特点。近年来，溶液法分离碳纳米管结构的研究取得了突破性进展。其中，美国杜邦公司、美国西北大学研究团队、美国莱斯大学、美国标准国家实验室（NIST）研究团队、德国卡尔斯鲁厄理工学院、日本产业技术综合研究所研究团队均通过液相分离技术，实现了多种单一手性碳纳米管的分离制备。目前，业界已经能够实现30余种单一手性半导体碳纳米管的制备，但是单一手性碳纳米管的规模化制备仍然面临巨大的挑战。 接下来，业界还需要对碳基器件结构和集成电路工艺进一步优化，发展和建立材料制备、器件加工以及表征的标准化过程，减小大面积集成电路中器件性能的波动性。相信经过长期的技术优化与迭代，高性能碳基集成电路的大规模商业化有望在不远的将来得以实现。
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