麻尧斌|碳基半导体从材料突围

“
编者按：过去的半个多世纪，半导体行业一直遵循摩尔定律的轨迹高速发展，如今单纯靠提升工艺来提升芯片性能的方法已经无法充分满足时代的需求，半导体行业也逐步进入了“后摩尔时代”。后摩尔时代的来临，给中国集成电路产业发展带来新的发展机会，《中国电子报》推出“探寻后摩尔时代集成电路的颠覆性技术”系列报道，对集成电路潜在颠覆性技术进行梳理，探讨每一项技术的发展现状、产业难题、未来前景。敬请关注。
”

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此前向《中国电子报》采访人员表示，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《中国电子报》采访人员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。”麻尧斌对采访人员说。
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。麻尧斌向采访人员指出，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。