[原创] 碳纳米管集成电路技术商用进程再进一步，制备材料取得关键性突破
2020-05-27
14:00:18
来源: 半导体行业观察
随着摩尔定律逐渐失效，寻求硅以外的替换材料成为行业的一大方向，而碳纳米管则被看作一个有希望的替代品。5月26日上午，半导体行业观察记者从北京元芯碳基集成电路研究院举办的媒体发布会上了解到，由该院中国科学院院士北京大学教授彭练矛和张志勇教授带领的团队，经过多年研究与实践，解决了长期困扰碳基半导体制备的瓶颈，如材料的纯度、密度与面积问题。他们的这项研究成果已经发表在今年5月22日的《科学》期刊“应用物理器件科技”栏目中。这项研究成功的意义预示着碳纳米管技术正在快速走向成熟，走向产业化。
集成电路的发展要求CMOS晶体管在持续缩减尺寸的同时提升性能，降低功耗。随着主流CMOS集成电路缩减到亚10 nm技术节点，采用新结构或新材料对抗场效应晶体管中的短沟道效应、进一步提升器件能量利用效率变得愈加重要。
“采用硅以外的材料做集成电路，包括锗、砷化钾、石墨烯和碳，一直是国外半导体前沿的技术。碳基半导体也是一种选项，具有成本低、功耗小、效率高的优势，适合在不同领域应用而成为未来半导体材料的重要选项。”彭练矛院士说到。
北京元芯碳基集成电路研究院院长，中国科学院院士、北京大学教授彭练矛
在诸多新型半导体材料中，半导体碳纳米管因具有超高的电子和空穴迁移率、原子尺度的厚度和稳定的结构，所以是构建高性能CMOS器件的理想沟道材料。2009年，半导体技术发展路线图委员会（ITRS）将碳基纳米材料列入延续摩尔定律的未来集成电路技术选项。
已公开的理论计算和实验结果均表明，碳管CMOS晶体管采用平面结构即可缩减到5nm栅长，且较同等栅长的硅基CMOS器件具有10倍的本征性能-功耗综合优势。
张志勇教授在会上讲到，业界对碳纳米管也是寄予厚望，2017年在台积电IEDM大会上，台积电CTO孙元成就报告了关于碳纳米管的信息。其实业界最关注的核心（未解决）问题和需求是
高性能
和
低功耗
，在此就不得不提一下碳纳米管之殇。
北京元芯碳基集成电路研究院常务副院长，北京大学教授张志勇
碳纳米管集成电路批量化制备的前提是实现超高半导体纯度（>99.9999%）、顺排、高密度（100～200 /μm）、大面积均匀的碳纳米管阵列薄膜。长期以来，材料问题的制约导致碳管晶体管和集成电路的实际性能远低于理论预期，甚至落后于相同节点的硅基技术至少一个数量级，因而成为碳管电子学领域所面临的最大的技术挑战。
碳纳米管在制备晶体管和集成电路方面具有巨大的优势，但是真正实用化发展一直受限于材料问题。
对此，北京大学电子学系/碳基电子学研究中心张志勇教授-彭练矛教授课题组经过多年研究，采用全新的提纯和自组装方法，制备出高密度高纯半导体阵列碳纳米管材料，并在此基础上首次实现了性能超越同等栅长硅基CMOS技术的晶体管和电路，展现出碳管电子学的优势。
该课题组采用多次聚合物分散和提纯技术得到超高纯度碳管溶液，并结合维度限制自排列法，在4英寸基底上制备出密度为120/μm、半导体纯度高达99.99995%、直径分布在1.45±0.23 nm的碳管阵列，从而达到超大规模碳管集成电路的需求。
基于这种材料，批量制备出场效应晶体管和环形振荡器电路，100nm栅长碳管晶体管的峰值跨导和饱和电流分别达到0.9 mS/μm和1.3 mA/μm，室温下亚阈值摆幅为90 mV/DEC；批量制备出五阶环形振荡器电路，最高振荡频率8.06 GHz远超已发表的基于纳米材料的电路，且超越相似尺寸的硅基CMOS器件和电路。
该项工作突破了长期以来阻碍碳管电子学发展的瓶颈，首次在实验上显示出碳管器件和集成电路较传统技术的性能优势，实现了碳管阵列在器件沟道中的密排要求，使得碳管阵列的密度（120 /微米）和半导体纯度99.99995%同时满足了要求，在国际上首次位于可实用化区间内。
2020年5月22日，相关研究成果以《用于高性能电子学的高密度半导体碳纳米管平行阵列》（“Aligned, high-density semiconducting carbon nanotube arrays for high-performance electronics”）为题，在线发表于《科学》（Science，第368卷6493期850～856页）。
在此文发出后，杜克大学(Duke University)的教授Aaron Franklin说，10年前他在IBM时帮助确定了碳纳米管纯度和密度的目标时，很多人认为它们无法实现。如今他说：“这确实是一项了不起的成就，这项工作的成果显示出高性能碳纳米管晶体管的重大飞跃。”
在过去几十年的晶体管发明史上，基本都是外国人主导的。第一个碳纳米管是在1998年由美国和荷兰科学家制备出来的，至今已有22年了。直到2006年之前，我国科学家在这个领域的贡献基本是零。但国外的科学家在采用传统掺杂工艺制备碳纳米管晶体管的过程中也遇到了重大挑战。2005年Intel的器件专家对该领域做了系统总结，发表了论文，结论是无法制备出性能超越硅基n型晶体管的碳纳米管器件，也就是无法超越硅基CMOS技术。之后Intel放弃了碳基集成电路技术。
我们从2000年开始了碳基电子学的工作，2007年发表了非掺杂制备碳纳米管CMOS器件的方法，制备出了第一个性能超过硅基相同尺寸的碳纳米管晶体管。2017年在science上发布了碳纳米管5nm栅长器件，2018年进一步发布了碳纳米管超低功耗相关的文章，再加上此次找到了解决材料问题的基本方法，真正兑现碳纳米管在集成电路方面的潜力。所有这些突破性的进展，极大地提升了我国在世界半导体行业的话语权。
在问到我国碳基技术与国外研究的水平差异情况时，彭练矛院士指出，我们的碳基半导体研究是代表世界领先水平的，综合性能是最好的，我们发表science上的环振电路的振荡速度已达5GHz以上，远远超过MIT集成电路的速度（MHz），加之，此次又突破了材料的瓶颈，超越硅基集成电路。但MIT在系统设计层面相对更好，我们的短板是工具（例如EDA等）和芯片设计，在这个方面，MIT比我们强。
在应用上，碳基技术在不久的将来可望应用于国防科技、卫星导航、气象监测、人工智能、医疗器械等多重领域。由于碳基材质的特殊性，它能让电路做到像创可贴一样柔软，这样的柔性器械，如果应用于医疗领域将使患者拥有更加舒适的检查体验；因碳基材质特点，在一些高辐射、高温度的极端环境里，采用碳基技术制造出的机器人将更好的代替人类执行危险系数更高的任务；碳基技术若应用到智能手机上，因其拥有更低的功耗，将使待机时间更加延长。
碳基半导体从早期实验室到今天已经建立了完整的从制备材料、到电路设计、到器件生产到综合集成完整的研发和生产模型，是北京碳基集成电路研究院团队多年研究和实践取得的成果。“众人拾柴火焰高”，未来碳纳米管的发展还有很长的路要走，需要产业界整个链条的相互协作，也还需要在器件和集成电路设计、制备技术上进行大量的工程化开发。
*免责声明：本文由作者原创。文章内容系作者个人观点，半导体行业观察转载仅为了传达一种不同的观点，不代表半导体行业观察对该观点赞同或支持，如果有任何异议，欢迎联系半导体行业观察。
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