碳基半导体如何突围

碳基半导体如何突围
2021年09月17日 09:47 半导体行业观察

随着芯片制造工艺逼近2纳米,硅基芯片材料的潜力已基本被挖掘殆尽,无法满足行业未来进一步发展的需要,启用新材料是公认的从根本上解决芯片性能问题的出路。如果摩尔定律真的失效了,逐渐逼近物理极限的硅基芯片很可能会处于“山穷水复疑无路”的境地。在这种情况下,带我们看到“柳暗花明又一村”景象的救星,会是碳基半导体吗?现阶段,碳基半导体如何从实验室的“玻璃房”走出,将自身的潜力真正发挥出来,仍然是业内关注的焦点与面临的难点。

碳基半导体独具优势

遵循摩尔定律这一半导体业界的“金科玉律”,硅基半导体芯片的性能每隔18~24个月便会提升一倍。但随着芯片尺寸不断缩小,特别是当芯片制造工艺水平进入5纳米节点以后,硅芯片的发展开始面临很多物理限制,业内逐渐涌现出“摩尔定律已死”、“硅基技术走到尽头”等观点。碳基半导体被认为是后摩尔时代的颠覆性技术之一。

碳基半导体是一种在碳基纳米材料基础上发展的,以碳纳米管(CNT)、石墨烯为代表的半导体材料。ITRS研究报告曾明确指出,未来半导体行业的研究重点应聚焦于碳基电子学。

为延续摩尔定律,研究人员对新材料和新型器件结构进行了不断探索。引无数科研人员“竞折腰”的碳基半导体,相比传统硅基技术究竟具备哪些优势?

北京碳基集成电路研究院的技术人员表示,碳基技术有着比硅基技术更优的性能和更低的功耗。比如,采用90纳米工艺的碳基芯片有望制备出性能和集成度相当于28纳米技术节点的硅基芯片,采用28纳米工艺的碳基芯片则可以实现等同于7纳米技术节点的硅基芯片。

赛迪智库集成电路研究所研究员麻尧斌以碳纳米管为例,向记者表明了碳基半导体具备的技术优势。“CNT(碳纳米管)具有极高的载流子迁移率、非常薄的主体尺寸和优良的导热性。基于CNFET处理器的工作速度和能耗相比于硅基处理器可均具有约3倍的优势,即9倍左右的能量延迟积(EDP)的优势。”麻尧斌对记者说。

石墨烯材料的使用同样是体现碳基半导体优势的有力证明。麻尧斌向记者指出,石墨烯具有载流子迁移率高和热导率好等优良特性,这使得石墨烯晶体管可获得高的信号传输速度和良好的散热性。未来,石墨烯有望在实现更小尺寸芯片、3D封装互连和优化芯片散热等方面发挥重要作用。

碳纳米管技术曙光微露

事实上,人们对碳基半导体材料的追逐与探索并不是近几年才开始的,运用新材料的碳纳米管技术一直以来都吸引了无数科学家的目光。1991年,现已当选为中国科学院外籍院士的日本物理学家饭岛澄男,在使用高分辨透射电子显微镜来观测用电弧法产生的碳纤维产物时,就意外地发现了碳纳米管。根据他的观察,碳纳米管由碳分子管状排列而成,可看作是由单层石墨卷成了一个“圆筒”,需要由石墨棒等碳材料经特殊方法制备而成。

2019年8月,一项碳纳米管的研究成果再次让“你好,世界”这串每个程序员都熟知的字符轰动全球。《自然》杂志发表的一篇论文显示,美国麻省理工学院的Max Shulaker及同事设法设计和构建了一种碳纳米管微处理器。这个微处理器是利用14,000多个碳纳米管(CNT)晶体管制造出来的16位微处理器,其设计和制造方法克服了之前与碳纳米管相关的挑战,有望为先进微电子装置中的硅带来一种高效能的替代品。这个微处理器被命名为“RV16X-NANO”,并在测试中成功执行了一个程序,生成消息:“你好,世界!我是RV16XNano,由碳纳米管制成。”

麻尧斌告诉记者,台积电、斯坦福大学和加州大学圣地亚哥分校研究人员亦联合研制了具有10nm栅极长度和68mV/dec亚阈值摆幅的顶栅CNFET(碳纳米管场效应晶体管)等。

去年,中国科学院院士、北京大学电子学系教授彭练矛和张志勇教授团队针对碳基半导体材料的重大研究成果也让业界在后摩尔时代看到了新的希望。2020年5月22日,该团队在《科学》杂志发表《用于高性能电子学的高密度半导体碳纳米管平行阵列》论文,介绍了团队最新发展的多次提纯和维度限制自组装方法,该方法解决了长期困扰碳基半导体材料制备的材料纯度、密度和面积问题。

有关碳基半导体的研究进展并不总是一帆风顺,“大浪淘沙”之后,一些机构与企业在该领域的研究已经陷入停滞。早在2014年,IBM就抛出豪言壮语,称要在2020年之前利用碳纳米管制备出比当时快5倍的芯片,但目前尚未有更进一步的研发进展。

碳基与硅基电路需差异化发展

尽管以碳纳米管、石墨烯为代表的碳基半导体具备诸多技术优势,市场潜力也有目共睹,但目前碳基半导体在高质量、批量化制备和实际应用方面还存在不少难点。

碳管要形成加工超大规模集成电路的薄膜,这个过程其实并不容易。南京大学电子科学与工程学院教授万青向记者表达了自己的观点:如果是直接定向生长,那么很难获得高密度完美半导体碳管膜;如果通过二次转移定向组装,就要满足大面积(12英寸)的纳米尺度极大规模集成电路工艺,因此批量化制造和产品良率可能会成为挑战。

万青认为,目前,虽然单个碳基器件已经做的很好了,但和硅集成电路相比,碳基半导体在纳米尺度超大规模集成和产业化良率方面还存在一定问题。在常规集成电路应用方面,目前碳管电路可能还无法和硅基电路竞争,所以碳基半导体也许更需要差异化发展,未来有望在传感、柔性系统等新领域寻找到出路。

麻尧斌向记者表示,实现超高半导体纯度(>99.9999%)、顺排(取向角<9°)、高密度(100~200/μm)、大面积均匀的CNT阵列薄膜的批量化制备目前存在困难,这阻碍了CNFET在集成电路领域的快速应用。“在纯度方面,当前制备的CNT会存在半导体和金属CNT共生现象,金属CNT的出现会导致器件、芯片电学性能的严重退化。”麻尧斌说。

就石墨烯而言,本征石墨烯的零带隙特征使得石墨烯晶体管开关比很小,这也会限制碳基半导体在逻辑电路上的应用。

从实验室的“理想值”迈向市场中的规模化应用,碳基半导体的产业化道阻且长。北京交通大学理学院教授徐征向记者表示,目前,碳基半导体材料已经实现了物理特性,但是要做成器件,还需要经历很多工艺的打磨。“技术实现与性价比的保证是碳基半导体实现产业化的前提。”尽管面临困难与挑战,但徐征仍对碳基半导体的未来充满希望,“如果相关设备发展水平提高,碳基半导体产业能够有工业化设备的支撑,碳基半导体是有可能实现规模化和产业化发展的。”

在攻关碳基半导体这个漫长的征途中,业界需要修炼内功,并且形成体系化的技术积累。日前,彭练矛院士团队方面也向记者表达了低调做事的意愿,这或许能够从侧面说明,要想让碳基半导体产业实现进一步发展,业界仍需潜心研发,做到脚踏实地。

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