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北大与MIT硬核较量:后摩尔时代,「碳基半导体」成为中美竞逐新焦点

北大与MIT硬核较量:后摩尔时代,「碳基半导体」成为中美竞逐新焦点
发布日期:2020-06-22 浏览次数:63

一、中美集成电路的前沿焦点

近日,北京大学碳基电子学研究中心、纳米器件物理与化学教育部重点实验室张志勇教授-彭练矛教授课题组提出针对「碳纳米管」的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。

 

这一成果,解决了长期困扰碳基半导体材料制备的瓶颈,如材料的纯度、密度与面积问题,成为碳基半导体进入规模工业化奠定基础,也为我国芯片制造产业实现“弯道超车”提供巨大潜力。北京大学电子系教授、中国科学院院士彭练矛表示,用碳管制成的芯片,有望使用在手机和5G微基站中。

更广泛地,碳基技术可应用于国防科技、卫星导航、气象监测、人工智能、医疗器械等多重领域。

5月22日,相关研究成果在线发表于《Science》(第368卷6493期850~856页),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-densitysemiconducting carbon nanotube arrays for high-performance electronics)为题。

电子学系2015级博士研究生刘力俊和北京元芯碳基集成电路研究院工程师韩杰为并列第一作者,张志勇和彭练矛为共同通讯作者。

紧随其后,来自麻省理工学院的研究则进一步放大了碳纳米管在工业场景的商业化潜力。

6月1日,麻省理工学院电气工程和计算机科学助理教授Max Shulaker团队展示了如何在200毫米的标准晶圆上批量制造碳纳米管场效应晶体管(CNFETs),其成果以《工业硅生产设备中碳纳米管场效应晶体管的制备》(Fabrication of carbon nanotube field-effect transistors in commercial silicon manufacturing facilities)为题发表在《Nature》子刊《Nature Electronics》杂志上。

 

在商用硅代工厂内整合碳纳米管场效应晶体管

他们在基于制造CNFET沉积技术的改进,与传统方法相比,将制造进程加快了1100多倍,同时也降低了生产成本。该技术将碳纳米管边对边地沉积在晶圆上,14400×14400的阵列CFNET分布在多个晶圆上。

目前,该团队在两个不同的工厂成功地测试了这种新方法,包括 Analog Devices公司经营的商业硅制造工厂和SkyWater Technology公司经营的大批量半导体代工厂。

碳基材料的核心难题被中国团队攻克

现代信息技术的基石是集成电路芯片, 而构成集成电路芯片的器件中90%是源于硅基 CMOS技术。

经过几十年的发展,基于碳基的集成电路技术即将进入2-3nm技术节点,摩尔定律即将逼近物理极限的声音也成为业界主流, 后摩尔时代的纳电子科学与技术的研究变得日趋急迫,非硅基纳电子技术的发展将可能从根本上影响到未来芯片和相关产业的发展。

在若干可能的硅基替代技术中, 碳纳米管技术目前已被众多学者和包括 IBM 在内的大公司认为是最有可能成功的技术。碳纳米管可作为制备碳基半导体的材料,这是一种以碳基纳米材料为基础发展而来的导电材料。

然而,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、顺排、高密度、大面积均匀的碳纳米管阵列薄膜。

相较以往的制造工艺,这样的生产要求是难以达到的,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,成为碳管电子学领域所面临的最大的技术挑战。

制备出首个超越相似尺寸的硅基CMOS的器件和电路,一直都是基础制备材料领域的梦想。

 

中国科学院院士北京大学教授彭练矛。从2000年起,彭练矛已在碳基纳米电子学领域坚守了近20年,带领研究团队探究用碳纳米管材料制备集成电路的方法,一路披荆斩棘。被誉为是国产碳芯片发展的领军人。

北大张志勇教授-彭练矛教授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99.9999%、直径分布在1.45±0.23 nm的碳管阵列,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,从而达到超大规模碳管集成电路的需求。

 

大规模集成电路对碳管材料的要求: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。

课题组从市售的碳纳米管开始,将其置于甲苯溶剂中,并在其中加入聚合物,然后将其放入离心机中对包覆的纳米管进行分选。再重复该过程两次,进一步对它们进行分选,结果得到99.9999%的纳米管溶液,比之前采用的方法达到的99.99%有所改进。研究人员表示,通过多次重复该过程,可以进一步提高纳米管的选择率。

 

高密度、高纯度半导体碳管阵列的制备和表征

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0.9mS/μm和1.3mA/μm(VDD=1 V),室温下亚阈值摆幅为90mV/DEC。

 

高性能碳管晶体管

批量制备出五阶环形振荡器电路,成品率超过50%,最高振荡频率8.06GHz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。

 

碳管高速集成电路

据彭练矛团队介绍,碳纳米管作为一种新型纳米半导体材料,在物理、电子、化学和机械方面,具备特殊优势。早在2018年,他们就利用碳纳米管网络薄膜作为材料,在超薄柔性衬底上制备出高性能的CMOS电子器件,并成功地将传感集成系统应用于人体信息监测。

彭练矛和张志勇所在的北京碳基集成电路研究院在接受媒体采访时表示,碳基技术有着比硅基技术更优的性能和更低的功耗,性能功耗综合优势在5到10倍,这意味着碳基芯片性能比相同技术节点的硅基芯片领先三代以上。

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。

「我们的碳基半导体研究是代表世界领先水平的。」彭练矛在接受采访时表示。与国外硅基技术制造出来的芯片相比,我国碳基技术制造出来的芯片在处理大数据时不仅速度更快,而且至少节约30%的功耗。

碳纳米管从美国实验室走向工业场景

硅晶体管尺寸的不断缩小,推动着电子技术的进步。当摩尔定律走到尽头,硅晶体管缩小变得越来越困难。

以半导体碳纳米管为基础的晶体管,作为先进微电子器件中硅晶体管的替代品,与金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)类似,它成为构建下一代计算机的基本单元。

当然,尽管碳纳米管场效应晶体管(CNFET)比硅场效应晶体管更节能,但它们目前仍大多存在于实验室当中。现在,麻省理工学院Shulaker研究团队通过对标准纳米管沉积溶液工艺进行优化,将少量的纳米管溶液沉积在晶圆上,显著提高了吞吐量,加快了沉积过程的速度超过1,100倍,同时降低了成本。

这使他们能够在商业硅制造厂和大批量半导体代工中制造碳纳米管场效应晶体管。

Max M. Shulaker是2013年第一台碳纳米管计算机研究成果第一作者;于2016年加入MIT担任助理教授,继续开展碳纳米管相关的研究。

目前,将碳纳米从实验室转移到工业场景面临的核心挑战在于:所有用于制造碳纳米管场效应晶体管的材料和工艺必须满足硅基商业制造设施的严格的兼容性要求,更深层次的挑战还在于,如何在工业标准基板尺寸(200mm直径的晶圆及以上)上均匀地沉积碳纳米。

要实现这种碳纳米沉积技术必须满足三个条件:

一是在保证规模化生产的同时,最大限度地降低成本;

二是要能够利用现有设备,不引入禁止的化学污染物或微粒;

三是要实现比同等尺寸硅基更强的性能。

 

在实验室中构建CFNET的最有效的方法之一是纳米管沉积方法,即将晶圆浸泡在纳米管液中,直到纳米管粘在晶圆表面。

碳纳米管场效应晶体管(CNFETs)的性能在很大程度上是由沉积工艺决定的,它影响着晶圆表面碳纳米管的数量和方向。"它们 "要么以随机的方向粘在晶圆上,要么全部排列在同一方向。

这种沉积方法虽然对工业界来说很实用,但根本无法使纳米管对齐。通过对沉积过程的仔细观察,研究人员发现干式循环,一种间歇性地干燥浸泡晶圆的方法,可以将沉积时间从48小时大幅缩短到150秒。

 

通过ACE方法培养提高碳纳米管沉积的方法。

于是,他们提出了ACE(通过蒸发人工浓缩),将少量的纳米管溶液沉积在晶圆上,而不是将晶圆浸泡在槽中。溶液的缓慢蒸发增加了碳纳米管的浓度和沉积在晶圆上的纳米管的总体密度。

目前,研究人员与商业硅制造厂Analog Devices和半导体代工厂SkyWater Technology合作,使用改进后的方法制造出了CNFET。他们能够使用这两家工厂制造硅基晶圆所使用的相同设备,同时也确保了纳米管溶液符合这两家工厂对化学和污染物的严格要求。

值得注意的是,该研究产出的并非传统意义上的计算机芯片,仅是制造工艺的演示,而且晶体管的栅极长度(即制程)为130nm,相当于2001年代的芯片工艺。新工艺也只实现了45个纳米管/微米,这仍然明显低于之前研究人员预测的200个的最佳密度。

不过,研究人员还对纳米管的密度与能效关系进行了分析:即使在较低的密度下,节省的成本也会很可观。即使纳米管密度为25,也会带来2.5倍的能效提升。

虽然要将这一突破转化为一个实用芯片技术还有很长的路要走,但它是朝着高性能纳米管计算的未来迈出的重要一步,可能成为摩尔定律之后下一个最为重要的「武器」。

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