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碳基半导体扶摇直上九万里?

作者:admin     发布时间:2022-04-22 08:34 点击数:

  遵循摩尔定律这一半导体业界的轨道,硅基半导体芯片的性能每隔18到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5nm节点,甚至逼近2nm以后,因为受到材料、器件和量子物理的限制,硅基芯片逼近物理极限,就会出现量子隧穿导致的漏电效应和短沟道效应等问题。硅芯片的潜力被质疑“殆尽”,碳基半导体则被认为是后摩尔时代的颠覆性技术之一。

  根据IBM研究,10nm技术节点后碳纳米管芯片在性能和功耗方面都将比硅芯片有明显改善。从硅基7nm到5nm技术,芯片速度大约提升20%,而相比硅基7nm技术,碳纳米管基7nm技术的芯片速度将提升300%。

  硅基半导体的路上,我们难以越过“光刻机”的大山。但如果换条路,我国在碳基半导体上能否“扶摇直上九万里”?

  碳基半导体是一种在碳基纳米材料的基础上发展出的,以石墨烯、碳纳米管,碳纳米纤维,纳米碳球等为主的材料,其中最有希望完成硅基替代的是碳纳米管和石墨烯。它们被认为是后摩尔时代的新曙光,我们来具体看一下碳基半导体的优点。

  碳纳米管未来要做到5nm以下工艺才能与硅基竞争,但再往后看,我们知道硅基芯片的极限在1nm左右,台积电现在已经在攻克2nm工艺了,濒临极限,硅基芯片结束似乎是迟早的事情,但碳基芯片不同。

  碳基芯片可以做到更低。硅材料晶体管在10nm以下便会失去稳定性,比于硅晶体管,石墨烯等碳晶体管优势在于其晶体管晶格高度稳定,即使在单碳原子厚度下还能稳定工作。

  硅基芯片制造中最难的是用光刻机刻蚀出电极形状,然后通过离子注入机参杂,实现电子型半导体和空穴型半导体。

  而碳基芯片制造则完全避开这一复杂的步骤,只需要采用金属铅作为接触电极,便得到空穴型半导体。简单来说,碳基芯片工艺更加简洁,无需光刻机,完全是另外一个赛道。而且,碳基芯片拥有超薄导电通道、极高稳定性和高载流子迁移率,从而大幅降低芯片功耗。

  碳基芯片由碳基晶圆打造而来,碳基晶圆的基础则是石墨烯半导体材料。石墨烯的发现堪称科学奇迹,它的厚度只有0.335nm,相当于一根头发的20万分之一,但它却比钢铁还硬上200倍。

  并且石墨烯具有载流子迁移率高和热导率好等优良特性。石墨烯的导电性比硅强100倍,导热性比铜强10倍,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,独特的材料属性使它将担大任。

  石墨烯做成碳基芯片性能将会是硅基芯片的10倍,但功耗却能降到四分之一,比如采用90nm工艺的碳基芯片有望制备出性能和集成度相当于28nm技术节点的硅基芯片,采用28nm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。

  也就是说我们只要用28nm的光刻机,就能获得全球最先进EUV光刻机的效果。

  除了石墨烯,碳纳米管的优点也很明显。碳基半导体材料就是将晶体管的沟道由硅变成了碳纳米管,被称为碳纳米晶体管。赛迪智库集成电路研究所研究员麻尧斌以碳纳米管为例表明了碳基半导体具备的优势。“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CNTFET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。

  碳基无掺杂CMOS电路非常适合在低温下工作。2021年,北京大学团队谢雨农等人实验探索了碳纳米管晶体管和电路在低温下的工作特性,并发现当温度从室温降低至液氮蒸发温度时,网络碳管薄膜晶体管比单管器件和主流的硅基器件都具有更好的温度稳定性。

  美国较早开始探索石墨烯电子技术,美国国家科学基金会设立了众多碳基电子基础研究项目,涵盖了碳基电子研究和应用的各个领域。开展了多项有关石墨烯、碳纳米管、碳化硅的碳基电子技术研发项目,主要涵盖石墨烯电子器件、石墨烯电路、石墨烯传感器、石墨烯在量子开关等量子技术中的应用。

  美国国防部先进研究计划局(DARPA)在2018年启动的“电子复兴计划”(ERI)中,投入高达15亿美元的经费,希望从系统架构、电路设计和底层器件三个方面探索未来的集成电路技术,其中最大的项目就是支持相关学术团队和芯片制造企业开展碳纳米管集成电路技术的研究和产业化。

  作为石墨烯的诞生地,欧洲十分注重在石墨烯应用领域的战略布局。早在2013年1月,欧盟委员会就计划把“石墨烯旗舰计划”列为首批“未来新兴技术旗舰项目”之一。设立了12个应用工作组负责材料应用、复合材料、光电子、央视财经评论文字稿-色情网站背后的秘密。电子设备、传感器、生物医药、健康及环境等研究方向,来推进之后的应用落地。

  日本政府也非常重视碳基电子技术的发展,鼓励学术界和企业界从事相关研究工作,大力推动碳基电子技术商业化应用。日本经济产业省资助开展“低碳社会实现之超轻、高轻度创新融合材料”研究,计划投资9亿日元探索碳纳米管和石墨烯材料的批量合成技术。此外,日本日立、索尼、东芝等公司也投入了大量资源推动石墨烯的基础研究和应用开发。

  国家全力助阵碳基半导体的发展。2021年工信部以重大关键技术突破和创新应用需求为主攻方向,进一步强化产业政策引导,将碳基材料纳入“十四五”原材料工业相关发展规划,并将碳化硅复合材料、碳基复合材料等纳入“十四五”产业科技创新相关发展规划,以全面突破关键核心技术,攻克“卡脖子”品种,提高碳基新材料等产品质量,推进产业基础高级化、产业链现代化。

  我国北大科研人员从2007年就开始研究碳基芯片, 2017年1月,北京大学张志勇、彭练矛课题组,成功制备出5nm栅极碳纳米管CMOS器件,发展出一种全新的提纯和自组装单层碳管的方法,单层碳管直径为1.45±0.23nm,纯度达99.99995%;在4英寸基底上获得了间隔为5nm的垂直有序排列的碳管阵列;首次制备出这种高质量、高性能的碳管场效应薄膜,并以此制作出了场效应晶体管和环形震荡电路(震荡频率在5.5 GHz以上)。这也是我国第一次掌握了世界最先进的晶体管技术。

  它突破了碳管电子学的发展瓶颈,首次在实验室中显示出碳管器件和集成电路较传统技术的性能优势,首次制作出了无掺杂的碳管CMOS晶体管,性能非常优秀并遥遥领先传统硅器件,为推进碳基集成电路的实用化发展奠定了基础,它是制作5nm碳基芯片的根本技术,其工艺技术可以批量生产,其工艺技术世界领先。

  2021年5月,北大团队再次实现了碳基芯片的突破,找到了实现高纯度碳纳米管整齐排列的新工艺。如今我们8英寸石墨烯晶圆亮相,攻克了让无数美国企业,望而却步的石墨烯提纯难题。

  北京大学信息科学技术学院电子学系主任、中国科学院院士彭练矛说道,“我们在碳基集成电路这条路上走了20年,还没有看到什么令我们觉得走不下去的障碍。”这番话不免让大家燃起了芯片制造中国后来居上的希望。

  走过千山万水,仍需跋山涉水,硕果累累但也前路漫漫。总之,如果北大碳基芯片能顺利开发,则有望助华为和中国芯片业绕开光刻机,制造出性能更优越的碳基芯片。

  “我们的碳基半导体研究是代表世界领先水平的。”彭练矛表示。我国的先进研究成果最终会落地到应用,碳基技术在不久的将来可以应用于国防科技、卫星导航、气象监测、人工智能、医疗器械等多重领域。

  由于碳基半导体能耗低,未来使用碳基芯片的手机电池续航能力会大大提高。同时,安装了这种高效芯片后,未来手机的摄像头性能也将大大增强。

  此外,彭练矛的团队已经在着手研究碳材料的医用传感器,用来检测血压、心跳和血糖等生化指标。由于碳材料与人体兼容性高,且有良好的柔韧性,这种传感器可以完美贴合皮肤,让人感觉不到它的存在。

  碳基芯片技术的突破,将为整个中国的芯片领域发展带来新的希望,为中国芯片突破西方封锁、开启自主创新时代开辟一条崭新的道路,解开中国半导体行业头上的一道紧箍咒。

  碳基芯片为中国芯片弯道超车提供了赛道,碳基芯片的核心元器件碳纳米晶体管材料的研制成功,为我们提供了急需的超级跑车。如果有一天硅晶体管的尺寸将无法再缩小,芯片性能提升也将接近物理极限。那么碳管就会成为“柳暗花明”的转折点,或许等碳管开始量产之时,正是国产芯片出头之日。

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