麻尧斌|碳基半导体从材料突围( 二 )

2019年8月，一项碳纳米管的研究成果再次让“你好，世界”这串每个程序员都熟知的字符轰动全球。《自然》杂志发表的一篇论文显示，美国麻省理工学院的Max Shulaker及同事设法设计和构建了一种碳纳米管微处理器。这个微处理器是利用14,000多个碳纳米管（CNT）晶体管制造出来的16位微处理器，其设计和制造方法克服了之前与碳纳米管相关的挑战，有望为先进微电子装置中的硅带来一种高效能的替代品。这个微处理器被命名为“RV16X-NANO”，并在测试中成功执行了一个程序，生成消息：“你好，世界！我是RV16XNano，由碳纳米管制成。”
麻尧斌告诉采访人员，台积电、斯坦福大学和加州大学圣地亚哥分校研究人员亦联合研制了具有10nm栅极长度和68mV/dec亚阈值摆幅的顶栅CNFET（碳纳米管场效应晶体管）等。
去年，中国科学院院士、北京大学电子学系教授彭练矛和张志勇教授团队针对碳基半导体材料的重大研究成果也让业界在后摩尔时代看到了新的希望。2020年5月22日，该团队在《科学》杂志发表《用于高性能电子学的高密度半导体碳纳米管平行阵列》论文，介绍了团队最新发展的多次提纯和维度限制自组装方法，该方法解决了长期困扰碳基半导体材料制备的材料纯度、密度和面积问题。
有关碳基半导体的研究进展并不总是一帆风顺，“大浪淘沙”之后，一些机构与企业在该领域的研究已经陷入停滞。早在2014年，IBM就抛出豪言壮语，称要在2020年之前利用碳纳米管制备出比当时快5倍的芯片，但目前尚未有更进一步的研发进展。
碳基与硅基电路需差异化发展
尽管以碳纳米管、石墨烯为代表的碳基半导体具备诸多技术优势，市场潜力也有目共睹，但目前碳基半导体在高质量、批量化制备和实际应用方面还存在不少难点。
碳管要形成加工超大规模集成电路的薄膜，这个过程其实并不容易。南京大学电子科学与工程学院教授万青向《中国电子报》采访人员表达了自己的观点：如果是直接定向生长，那么很难获得高密度完美半导体碳管膜；如果通过二次转移定向组装，就要满足大面积（12英寸）的纳米尺度极大规模集成电路工艺，因此批量化制造和产品良率可能会成为挑战。
万青认为，目前，虽然单个碳基器件已经做的很好了，但和硅集成电路相比，碳基半导体在纳米尺度超大规模集成和产业化良率方面还存在一定问题。在常规集成电路应用方面，目前碳管电路可能还无法和硅基电路竞争，所以碳基半导体也许更需要差异化发展，未来有望在传感、柔性系统等新领域寻找到出路。
麻尧斌向采访人员表示，实现超高半导体纯度（>99.9999%）、顺排（取向角＜9°）、高密度（100～200/μm）、大面积均匀的CNT阵列薄膜的批量化制备目前存在困难，这阻碍了CNFET在集成电路领域的快速应用。“在纯度方面，当前制备的CNT会存在半导体和金属CNT共生现象，金属CNT的出现会导致器件、芯片电学性能的严重退化。”麻尧斌说。
就石墨烯而言，麻尧斌表示，本征石墨烯的零带隙特征使得石墨烯晶体管开关比很小，这也会限制碳基半导体在逻辑电路上的应用。
从实验室的“理想值”迈向市场中的规模化应用，碳基半导体的产业化道阻且长。北京交通大学理学院教授徐征向《中国电子报》采访人员表示，目前，碳基半导体材料已经实现了物理特性，但是要做成器件，还需要经历很多工艺的打磨。“技术实现与性价比的保证是碳基半导体实现产业化的前提。”尽管面临困难与挑战，但徐征仍对碳基半导体的未来充满希望，“如果相关设备发展水平提高，碳基半导体产业能够有工业化设备的支撑，碳基半导体是有可能实现规模化和产业化发展的。”