碳基半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)化之路未來(lái)可期

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(lái)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(duì)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(zhēng)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(duì)于硅基半導(dǎo)體，碳納米管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。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(shì)，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。
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(zhǎng)度和溝道長(zhǎng)度均為10nm，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(guó)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(lái)發(fā)展路線圖；2019年，美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）團(tuán)隊(duì)基于碳納米管薄膜，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。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(duì)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(lái)可期
總體來(lái)說(shuō)，對(duì)于碳基半導(dǎo)體技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化，無(wú)論是材料制備還是原型器件的構(gòu)建，已經(jīng)沒(méi)有不可逾越的技術(shù)障礙，因此長(zhǎng)期來(lái)看，碳基半導(dǎo)體技術(shù)具有巨大的商業(yè)化應(yīng)用前景。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(lái)看，業(yè)界面臨的基礎(chǔ)性問(wèn)題之一是碳納米管結(jié)構(gòu)的精確可控問(wèn)題�，F(xiàn)階段，業(yè)界對(duì)于碳納米管的結(jié)構(gòu)控制主要有兩種途徑：一種是通過(guò)生長(zhǎng)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(guò)分離純化制備所需結(jié)構(gòu)的碳納米管。
相對(duì)直接生長(zhǎng)法，分離純化對(duì)碳納米管的結(jié)構(gòu)具有較易控制的特點(diǎn)。近年來(lái)，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。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)模化制備仍然面臨巨大的挑戰(zhàn)。
接下來(lái)，業(yè)界還需要對(duì)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(guò)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(guò)長(zhǎng)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(lái)得以實(shí)現(xiàn)。