技经观察 | 碳基半导体:中国芯片产业发展新机遇 技术篇

碳基半导体作为有可能继承硅基半导体,成为未来电子信息产业重要基础的新型半导体材料,其发展潜力值得科研和半导体从业人员对其进行深入挖掘。本文节选自《碳基半导体:中国芯片产业发展新机遇》报告,是碳基半导体系列的技术篇,对碳基半导体技术的研究进展进行了梳理并指出了其当前面临的的难题。

一、碳基半导体技术进展

业界对碳基半导体关注由来已久,2010年前后美欧对碳基投入了更多的研发力量和资金支持。2009年,国际半导体技术发展路线图委员会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。美国国家科学基金会2008年专门启动了“超越摩尔定律的科学与工程”项目,用以资助硅技术可能替代者的研究,其中碳基纳米电子学研究被视为重中之重。此外,已执行了十余年的美国国家纳米技术计划,除了通过常规途径继续对碳纳米材料和器件给予重点支持,还于2011年设立了“2020年后的纳米电子学”研究专项,每年专项资金高达上亿美元。欧盟同样对碳基纳电子技术进行了重点支持,其于2013年启动“石墨烯旗舰计划”,用以资助石墨烯及相关二维材料的研究,期望以此推动信息领域、通信领域的技术革命。各国对碳基技术的支持推动了相关技术研发进展,碳纳米管和石墨烯研究均取得诸多成果。

1. 碳纳米管

碳纳米管是未来最有希望取代硅基材料的理想碳基半导体材料。IBM研究表明,10nm技术节点后碳纳米管芯片在性能和功耗方面都将比硅芯片有明显改善。从硅基7nm到5nm技术,芯片速度大约提升20%,而相比硅基7nm技术,碳纳米管基7nm技术的芯片速度将提升300%。北京大学彭练矛团队研究结果表明,在14nm技术节点碳纳米管晶体管的速度和功耗均较硅基器件有10倍以上的优势,进入10nm技术节点后这种优势还将继续加大。此外,半导体型碳纳米管材料属于直接带隙半导体,所有能带间的跃迁不需声子辅助,是很好的红外发光材料。理论分析表明,基于碳纳米结构的电子器件可以有非常好的高频响应,其工作频率有望超过太赫兹,性能优于所有已知的半导体材料。

来源:彭练矛《碳基纳电子材料与器件》

图1-1 IBM关于未来硅基和碳纳米管基场效应晶体管的性能比较

自1998年第一个碳纳米管晶体管问世后,研究人员就开始探索碳纳米管半导体器件应用的可能性。最初,国外研究团队IBM、英特尔采用半导体主流CMOS技术——掺杂工艺制备高性能碳纳米晶体管,然而制备出的碳纳米管晶体管性能远低于硅基晶体管。2005年,英特尔对所有纳米晶体管进行了定量比较,研究结果表明,虽然碳纳米管基器件p型晶体管的性能远优于相应的硅基器件,但其n型晶体管的性能则远逊于相同尺寸的硅基器件。集成电路的发展要求性能匹配的p型和n型晶体管。n型碳纳米管晶体管性能的落后严重制约了碳纳米管电子学的发展,发展稳定高性能的n型碳纳米管器件成了2005年之后碳纳米管集成电路研究领域最重要的课题之一。我国研究人员通过多年努力,在该领域实现了突破。2007年,北京大学彭练矛团队在高性能碳纳米管场效应晶体管制备方面,发现利用金属钪(Sc)和钇(Y)可以与碳纳米管的导带形成理想欧姆接触,制备出高性能弹道n型碳纳米管场效应晶体管,器件性能接近理论极限。

来源:半导体行业观察

图1-2 5nm栅长碳纳米晶体管

2008年,彭练矛团队突破了n型碳纳米管制备这一跨世纪难题,创造性地研发出一整套高性能碳纳米管晶体管的无掺杂制备方法,并在2017年首次制备出栅长5nm的晶体管,同时证明了碳纳米晶体管可以在达到理论极限时克服短沟道效应,也就是可以用一个简单的平面工艺一直走到物理极限,无需像硅技术那样发展更复杂的三维晶体管技术以降低短沟道效应。2018年,该团队再次突破了传统的理论极限,发展出新原理的超低功耗的狄拉克源晶体管;同年,团队用高性能的晶体管制备出集成电路,最高速度达到5×103MHz,不仅跻身与斯坦福大学、麻省理工学院等研究机构同步的国际领跑行列,而且在最关键的核心技术上是世界领先的。2020年,彭练矛、张志勇团队突破了半导体碳纳米管关键的材料瓶颈,且制备出的器件和电路在真实电子学表现上首次超过了硅基产品,这意味着碳基集成电路已经初步具备工业化基础。

美国在碳纳米管上的研究以麻省理工学院最具代表性。2019年,麻省理工学院马克斯·舒拉克团队开发出全球首款碳纳米管通用计算芯片RV16X-NANO。该微处理器芯片基于RISC-V指令集,在16位数据和地址上运行标准32位指令,所具有的晶体管数量超过1.4万个,并采用行业标准流程和工艺进行设计和制造,可执行指令获取、解码、寄存器、执行单元和写回存储器等功能。2020年6月,舒拉克团队在《自然·电子学》杂志发表了题为《在商用硅制造设施中制造碳纳米管场效应晶体管》的论文,证实碳纳米管场效应晶体管已接近商业化应用。在该研究中,舒拉克团队开发出“干式循环”和“人工浓缩”两种方法来优化制造过程,将碳纳米管晶体管的制造速率提升了1100倍,同时降低了生产成本。利用该技术创新,研究人员可在200mm晶圆上快速制备大量的碳纳米管场效应晶体管。此外,研究人员还证实,碳纳米晶体管还可以在室温下进行堆叠制造,从而制成多层芯片;而传统的硅晶体管需要在450-500℃的高温下制造,无法进行堆叠制造。该论文涉及的生产制造工作是在商业硅基生产线上进行的,表明碳纳米管集成电路已具备较大的量产可能性。

2.石墨烯

在集成电路领域,当前二维硅基集成电路发展最为成熟,但近年来随着集成电路集成度不断提高,芯片上的器件单元数量急剧增加,芯片面积增大。单元间连线的增长既影响电路工作速度又占用很多面积,严重影响集成电路进一步提高集成度和工作速度,且集成电路面积单纯的二维缩小已经达到摩尔极限。因此,研究人员开始重视集成电路纵向三维发展。但是,三维集成电路存在散热、电路串扰及制造工艺等问题。石墨烯电子迁移率高、导热性好,这使其既可获得很高的信号传输速度,又能在较低温度和高频下进行工作。因此,石墨烯成为一种非常理想的集成电路材料。石墨烯纳米带的二维晶格结构具有高导电率、高导热率和低噪声,这些性能可使其取代铜等金属线连接成为连接材料。

来源:网络公开资料

图1-3 三维碳基电子示意图

2013年,美国加州大学圣巴巴拉分校研究人员利用石墨烯优异的热导性能以及电学性能,提出一种新型多层石墨烯纳米束填充硅晶孔洞的三维集成电路。通过研究发现,多层石墨烯纳米束的传热以及配电性能优于铜和碳纳米管。此外,石墨烯的高电子迁移率、导热系数,使其散热性能非常好,这可以很好地解决当前随着集成电路器件集成度不断提高,芯片工作产生的热量不容易散出去的问题。2014年,中国华南师范大学物理与电信工程学院研究人员在三维芯片中增加了一个石墨烯层以解决散热问题。试验结果表明,加入石墨烯导热层后,峰值温度有了较好的改善,石墨烯层能够提供良好的散热通道,将热量快速分散开。同年,美国高斯公司申请制备具有石墨烯屏蔽效应的三维集成电路的专利。石墨烯层作为三维集成电路相邻层级或者相邻层之间的电磁干扰屏蔽体,可减少在层级之间的串扰,同时向周围传递热量。

2019年,中国科学院上海微系统与信息技术研究所谢晓明团队首次在较低温度条件下采用化学气相沉积外延成功制备6英寸无褶皱高质量石墨烯单晶晶圆,成功将外延生长石墨烯单晶的生长温度从1000℃成功降低到750℃。石墨烯单晶晶圆的批量化制备是石墨烯在电子学领域规模化应用的前提,低温外延制备晶圆级石墨烯单晶对于推动石墨烯在电子学领域的应用具有重要意义。

来源:网络公开资料

图1-4 石墨烯单晶晶圆生长设计及实验过程

2019年,北京大学刘忠范院士与彭海琳教授联合团队循着外延衬底制备-石墨烯外延生长这一研究思路,首先制备了4英寸CuNi铜镍合金单晶薄膜,并以其为生长基底实现了4英寸石墨烯单晶晶圆的超快速制备。同时,该团队研发了石墨烯单晶晶圆批量制备装备,实现了单批次25片4英寸石墨烯单晶晶圆的制备,设备年产能可达1万片,在世界范围内率先实现了石墨烯单晶晶圆的可规模化制备。

在半导体晶体管领域,相比于硅晶体管,石墨烯晶体管优势在于其晶体管晶格高度稳定,即使在单碳原子厚度下还能稳定工作,而硅材料晶体管在10nm以下便会失去稳定性。薄且十分稳定的石墨烯晶体管不仅有助于电子元件向小型化发展,同时也允许其在极端温度条件下工作。此外,石墨烯的载流子移动极快,对外场的反应也极快,所以石墨烯晶体管可在很高频率下稳定工作。美国IBM公司研究人员曾对石墨烯晶体管进行模拟仿真实验。实验结果表明,当石墨烯晶体管的栅极尺寸为150nm时,频率可高达26GHz,而当这一尺寸缩小为50nm时,其频率将突破1THz,这一数据远高于现有的硅基晶体管。2011年,IBM制备出具有155GHz超高截止频率的新一代石墨烯晶体管,其具有40nm的选通脉冲宽度。当前研究成果表明,石墨烯晶体管的频率性能已超过相同栅极长度的最先进硅晶体管的截止频率(40GHz),但在晶体管制备上,石墨烯晶体管性能仍逊于碳纳米管晶体管。未来,石墨烯有望在三维集成电路、优化散热和更小尺寸芯片等方向发挥重要作用。

来源:网络公开资料

图1-5 IBM石墨烯晶体管

二、碳基半导体技术取得很大进步,但整体研究水平距硅基仍有很大差距

通过对近年来硅晶体管和碳基晶体管相关文献和专利的情况进行统计,将文献数量、被引用情况、学科分布等数据按照年份和国别两个维度进行对比发现:

在文献方面,碳基半导体的研究发展起步较晚,核心文献数量远不及硅基半导体,且硅基半导体还处于发展阶段,研究热度仍有可能持续上涨;美国、中国、韩国、日本和印度均在硅基和碳基半导体领域具有较多的研究成果,碳基半导体研究呈稳步发展势头。(图中CNFET指碳纳米管场效应晶体管)

来源:Web of Science(检索时间:2020.08)

图2-1 2011-2020年全球碳硅半导体核心文献数量对比

来源:Web of Science(检索时间:2020.08)

图2-2 2000-2020年各国碳硅半导体核心文献数量

在专利方面,碳基半导体专利数量少,商业化程度较差,专利权人多为美国和中国的个人或机构;硅基半导体专利数量多,且商业化较为成熟,主要集中于日本、美国和台湾地区。

来源:Derwent Innovation(检索时间:2020.08)

图2-3 2011-2020年碳硅半导体专利数量逐年对比

1. 硅基晶体管文献情况分析

使用检索式“TI=(MOSFET or FinFET)”在WOS(Web of Science)核心数据库中对2000-2020年的核心期刊文献进行搜索,共得到4256条文献结果。

按出版年份对文献进行归类,可发现:自2001年起,硅基半导体文献数量稳步增长,自2015年起增长速度加快,到2019年时达到395篇,表明硅基半导体研究热度仍在不断增长。

来源:Web of Science(检索时间:2020.08)

图2-4 硅基半导体文献数量按年份分布图表

按研究方向对文献进行分类排序,可以得知,硅基半导体晶体管研究主要涉及的方向主要为:工程学(Engineering)、物理学(Physics)、其他科技主题(Science Technology Other Topics)、材料科学(Materials Science)、计算机科学(Computer Science)、光学(Optics)、化学(Chemistry)等。

来源:Web of Science(检索时间:2020.08)

图2-5 硅基半导体主要研究方向

按文献数量对国别进行排序,发表核心期刊论文最多的前5个国家分别为:美国(851篇)、印度(809篇)、中国(553篇)、日本(386篇)、韩国(369篇)。美国和印度作者发布的文献数量相差不大。

来源:Web of Science(检索时间:2020.08)

图2-6 硅基半导体核心文献国别分布

按发表文章数量对作者进行排序,发表硅基半导体相关论文最多的5人分别是印度Maharaja Agrasen技术学院的R.S.古普塔(R.S.Gupta)(93篇)、印度德里大学的M·古普塔(M·Gupta)(77篇)、韩国岭南大学的李钟镐(55篇)、印度德里大学的曼努吉·萨克塞纳(Manoj Saxena)(50篇)和印度理工大学的苏南多·达斯古普塔(Sunando Dasgupta)(49篇)。

来源:Web of Science(检索时间:2020.08)

图2-7 硅基半导体核心文献作者发文数对比

2. 碳基晶体管研究情况分析

(1)碳纳米管场效应晶体管

使用检索式“TI=((CNT transistor) or (CNT FET) or CNTFET or CNFET or (carbon nanotube transistor) or (carbon nanotube FET))”在WOS核心数据库中对2000-2020年的核心期刊文献进行主题搜索,共得到1710条文献结果。

按出版年份对文献进行归类,可发现:自2001年起,碳纳米管场效应晶体管研究热度总体呈上升趋势,单年发表文献数量在2019年达到129篇。

来源:Web of Science(检索时间:2020.08)

图2-8 CNFET文献数量按年份分布图表

按研究方向对文献进行分类排序,可以得知,碳纳米管场效应晶体管研究主要涉及的研究方向为:物理(Physics)、材料科学(Materials Science)、其他科技主题(Science Technology Other Topics)、化学(Chemistry)、工程(Engineering)、计算机科学(Computer Science)等。

来源:Web of Science(检索时间:2020.08)

图2-9 CNFET主要研究方向

对文献关键词进行聚类分析,频率最高的关键词分别为:碳纳米管场效应晶体管、紧凑仿真电路模拟器模型(Compact SPICE Model)、场效应晶体管(Field Effect Transistor)、设计(Design)、电路(Circuit)以及纳电子(Nanoelectronics)。

来源:Web of Science(检索时间:2020.08)

图2-10 共词网络图

按文献数量对国别进行排序,发表核心期刊论文最多的前5个国家分别为:美国(504篇)、韩国(233篇)、日本(209篇)、中国(206篇)和伊朗(106篇)。可以看出,美国在碳纳米管场效应晶体管研究方面具有较大的优势。

来源:Web of Science(检索时间:2020.08)

图2-11 CNFET核心文献国别分布

按发表文章数量对作者进行排序,发表“CNFET”主题相关论文最多的5人分别是日本德岛大学的大野安秀(61篇)、日本名古屋大学的松本海成(45篇)、北京大学的彭练矛(38篇)、日本名古屋大学的水谷隆(34篇)和日本名古屋大学的岸本茂(32篇)。

来源:Web of Science(检索时间:2020.08)

图2-12 CNFET核心文献作者发文数对比

对文章引用情况进行分析,可发现,邓杰(斯坦福大学电气工程系)和马克斯·舒拉克(麻省理工学院电气工程与计算机科学系)是碳纳米管场效应晶体管领域重要作者,文章被引次数最多。可视化图像中代表邓杰的圆圈面积最大,说明邓杰的被引量最高,与邓杰相关联的连线偏紫色,表明邓杰是较为早期的作者;与舒拉克相关联的连线偏黄色,表明舒拉克的研究成果较新。

来源:Web of Science(检索时间:2020.08)

图2-13 CNFET核心文献被引网络图

自2000年以来,碳纳米管场效应晶体管相关文献的被引次数逐年增长,在2019年达到巅峰(4304次,见图2-14),表明对碳纳米管场效应晶体管的研究热度在逐年提高。

来源:Web of Science(检索时间:2020.08)

图2-14 CNFET核心论文被引频次图

(2)石墨烯场效应晶体管

使用检索式“TI=((graphene transistor) or (graphene FET))”在WOS核心数据库中对2000-2020年的核心期刊文献进行主题搜索,共得到1651条文献结果。

按出版年份对文献进行归类,可发现:石墨烯场效应晶体管相关的文献在2006年才首次出现,此后,石墨烯场效应晶体管研究热度逐年上升,在2015年达到顶峰,该年相关主题核心文献共187篇。但在此之后,石墨烯场效应晶体管的核心文献发表数量略有下滑。

来源:Web of Science(检索时间:2020.08)

图2-15 石墨烯场效应晶体管文献数量按年分布图表

按涉及学科对文献进行分类排序,可以得知,石墨烯场效应晶体管研究主要涉及的学科为:物理(Physics)、材料科学(Materials Science)、其他科技主题(Science Technology Other Topics)、化学(Chemistry)、工程(Engineering)、电化学(Electrochemistry)等。

来源:Web of Science(检索时间:2020.08)

图2-16 石墨烯场效应晶体管主要研究方向

按文献数量对国别进行排序,发表核心期刊论文最多的前5个国家分别为:美国(424篇)、中国(352篇)、韩国(281篇)、日本(140篇)和德国(110篇)。可以看出,美国在石墨烯场效应晶体管方面的研究成果较多,但中国与之差距不大。

来源:Web of Science(检索时间:2020.08)

图2-17 石墨烯场效应晶体管核心文献国别分布

对文章引用情况进行分析,可发现德国伊尔默瑙工业大学教授弗兰克·施维兹(Frank Schwierz)和IBM沃森研究中心研究员林玉明是石墨烯场效应晶体管领域的重要作者,文章被引次数最多。被引网络图中代表施维兹的圆圈面积最大,其文献的被引量最高。相关文献为施维兹在2020年发表在《自然》杂志的《石墨烯晶体管》(Graphene transistors)一文。该文献对石墨烯电子器件的研究情况进行了梳理与展望。截至2020年7月17日,该论文被引次数达3622次。林玉明的主要贡献是在IBM工作期间参与开发了第一个超过100GHz的石墨烯晶体管和第一个石墨烯集成电路。

来源:Web of Science(检索时间:2020.08)

图2-18 石墨烯晶体管核心文献被引网络图

自2006年以来,石墨烯晶体管相关文献的被引次数逐年增长,在2017年达到巅峰(7543次,见图2-19),表明对石墨烯晶体管的研究热度总体上在逐年提高。

来源:Web of Science(检索时间:2020.08)

图2-19 石墨烯晶体管核心文献被引频次图

3. 硅基与碳基半导体专利情况分析

在德温特创新索引数据库中通过检索式“‘MOSFET’or‘FinFET’”对1963-2020年的全球硅基半导体相关专利进行检索,共得到58910条同族专利记录。其中所涉及专利的学科类别主要为工程、仪器仪表、电化学、化学、材料科学、能源燃料、计算机科学、通信等。主要专利权人有:IBM(2712条)、台积电(2676条)、东芝公司(2409条)、日立公司(1815条)、NEC公司(1637条)、富士电子(1103条)、三菱公司(1051条)、格芯(982条)、电装集团(897条)。大多数专利集中于日本公司、美国公司和中国台湾台积电公司。硅基半导体涉及专利数量较多,表明硅基半导体发展较为成熟,商业化程度较高。

来源:Derwent Innovation(检索时间:2020.08)

图2-20 全球硅基半导体主要专利权人

相比之下,碳基半导体的研究进展和商业化程度仍处于初级阶段,相关专利较少。通过关键词“CNFET”对1963-2020年的全球碳纳米管场效应晶体管相关专利进行检索,仅有35条同族专利,涉及学科类别为工程、仪器仪表、化学、电化学、材料科学等。主要专利权人为:宁波大学(21条)、美国麻省理工学院(4条)、马克斯·舒拉克(4条)等。其中,宁波大学的专利主要关于碳纳米管场效应晶体管存储器和电路设计。

通过关键词“Graphene+FET”对1963-2020年的全球石墨烯场效应晶体管相关专利进行检索,共得到104条同族专利,涉及学科类别为工程、仪器仪表、化学、电化学、材料科学等。主要专利权人为:IBM公司(15条)、诺基亚公司(9条)、中科院微电子研究所(5条)和德州仪器公司(4条)等。石墨烯晶体管专利更多涉及射频电子电路中的应用。

三、碳基半导体技术发展面临的难题

1. 碳纳米管技术难题

(1)制备问题

碳基半导体需要的是半导体型的碳纳米管,金属型碳纳米管相当于杂质,会造成短路干扰电路运行。但在碳纳米管制备过程中金属型与半导体型共生,剔除金属型碳纳米管,尽可能提高碳纳米管的半导体纯度是一大技术难题。碳纳米管集成电路批量化制备的前提就是超高半导体纯度、顺排、高密度、大面积均匀的碳纳米管阵列薄膜。2013年,美国杜克大学在《自然》期刊上发表的一篇评述性文章提出,半导体纯度超过99.9999%(“6个9”)、密度达到100-200每微米,取向角<9°,才可实现大规模高性能集成电路。而且要将数量众多的碳纳米管塞进指甲盖大小的芯片就必须精确地控制好各个碳纳米管之间的距离,这就要求精度极高的阵列控制。长期以来,学术界发展了多种制备、提纯、排列碳纳米管的方法,但是始终无法接近这实用化区域。这使得碳纳米管晶体管和电路的实际性能远低于理论预期,甚至落后于相同技术节点的硅基技术至少一个量级。

直到2020年,北京大学彭练矛团队采用多次聚合物分散和提纯技术得到超高纯度碳纳米管溶液,提出结合维度限制自排列法在4寸晶圆上制备出了密度120/μm、半导体纯度高达99.99995%、直径分布1.45±0.23nm的碳纳米管阵列,才算攻克碳纳米管材料制备难题,理论上达到了超大规模碳纳米管集成电路的需求,但距离其大规模应用还存在诸多挑战。例如,要实现碳纳米管阵列薄膜的大规模均匀定向排布,需要将每微米间的碳纳米管数量控制在125-200个。要实现碳纳米管的大规模生产,碳纳米管晶圆的面积也要足够大,现阶段能制作8英寸晶圆,但未来需要更大尺寸才能满足需求,而且尺寸增大的同时必须保证碳纳米管排列取向单一,在技术实现上有很大挑战。

(2)材料与性能问题

除制备外,碳纳米管还面临两个方面问题的困扰。

一是可靠性较差。碳纳米管暴露于空气后会在几天内降解,且在高能电场下进行操作时,碳纳米管场效应晶体管会发生雪崩击穿现象,这些性质会影响碳纳米管的实际应用。目前,研究人员发现,可通过多通道结构提高碳纳米管场效应晶体管的稳定性,使其在几个月后依然保持稳定的性能。

二是现有性能不足。以麻省理工学院2019年发布的全球首款碳纳米管通用计算芯片RV16X-NANO为例,虽然该芯片的规模与英特尔1985年发布的80386芯片相当,但其在运行频率上和80386芯片仍有不小差距。80386的运行频率为16MHz,而碳纳米管芯片的最大频率仅为1.19MHz。造成这种差异的原因在于电子元件的电容以及晶体管可以承载的电流量较为有限。硅晶体管每微米宽度可承载大约1毫安的电流(1mA/μm),而碳纳米管晶体管每微米宽度只能承载约6微安的电流(6μA/μm)。

2. 石墨烯技术难题

(1)带隙问题

半导体由其带隙所定义,带隙指的是激发一个电子,使其从不能导电的价带跃迁到可以导电的导带所需要的能量。石墨烯作为晶体管应用时,带隙必须足够大,才能使晶体管开和关之间的状态对比明显,从而准确无误地处理信息。然而,常规的大片石墨烯是一种零带隙材料,在费米能级处其电导率不会像一般半导体一样降为零,而是达到一个最小值,以此作为沟道的晶体管很难被关断,进而限制石墨烯应用于晶体管。因此,如何产生禁带以实现高的开关比是石墨烯晶体管研究重点。根据文献报道,当前产生禁带方法包括直接产生禁带法和间接产生禁带法。

直接产生禁带方面,研究表明,当构造的石墨烯纳米带宽度小于10nm时,可利用纳米石墨烯的量子效应和边缘效应来有效地打开能带带隙,从而使其产生半导体性质。2008年,英国研究人员制备出仅一个原子厚几纳米宽的石墨烯量子点器件。在这种尺度下,石墨烯存在约0.5eV的禁带宽度,且器件仍然能保持较好的导电性。间接产生禁带方面,主要是通过引入具有非零禁带的物质作为势垒产生禁带,在石墨烯表面和边界上构造异质结,形成异质结晶体管。2019年,中国科学院金属研究所提出一种石墨烯基异质结晶体管,其中石墨烯夹在硅层之间。研究人员制备出一种垂直结构的硅-石墨烯-锗晶体管,成功将石墨烯基区晶体管的延迟时间缩短了1000倍以上,并将其截止频率由兆赫兹提升至吉赫兹领域。该晶体管为超高速运行器件的发展奠定了重要基础。当前,虽然研究人员通过各种方法产生禁带,但效果未达到预期,石墨烯带隙仅能达到360meV,开关电流比限制在了103(石墨烯纳米带开关电流比可达到105),远远小于需要的106。由此可见,石墨烯真正实现规模化应用还需进行更深入的研究。

来源:孙东明《垂直结构的硅-石墨烯-锗晶体管》

图3-1 硅-石墨烯-锗晶体管的设计和制备

a.器件的制备流程 b-d.器件的光学、SEM和截面示意图 e.器件原理示意图

(2)制备问题

石墨烯除带隙问题外,其制备问题也一定程度上限制了在半导体领域的应用。制备出高质量石墨烯薄膜是石墨烯成功应用于半导体领域的关键。目前,应用较为广泛的石墨烯制备方法主要有:微机械剥离法、化学氧化-还原法、化学气相沉积法(CVD)和外延生长法等。微机械剥离法制备的石墨烯完整度较高,但是操作复杂,可控性低,成本较高且效率低下,实际生产中很少被采用;化学氧化-还原法操作简单,可以制备大规模石墨烯,被广泛用于石墨烯复合材料制备,但氧化石墨烯表面的含氧官能团不能完全被还原,易出现结构缺陷,空洞等破坏石墨烯共轭大π键,影响石墨烯的导电性能;化学气相沉积法制备的石墨烯完整度很高,在精细加工领域,比如集成电路方面,可以充分发挥其优势,但由于其在金属层上沉积,需要腐蚀掉金属层才能得到石墨烯,成本较高;外延生长法得到的石墨烯,难转移、不能精确控制石墨烯厚度,很难得到大尺寸、高均匀性的石墨烯,原料碳化硅又十分昂贵,不适合一次性制得大量的石墨烯。

对半导体领域而言,目前制备石墨烯单晶主要有两种途径:一种是以单点形核控制来制备石墨烯单晶;另一种是表面外延生长取向一致的石墨烯晶畴,最后以无缝拼接的方法来制备石墨烯单晶,外延生长制备石墨烯单晶主要采用铜单晶或者锗作为衬底。然而,这两种途径中石墨烯单晶晶圆的生长一般需要在1000℃或更高温度下。在此温度下,容易产生褶皱、污染,导致石墨烯性能降低。

理想的石墨烯制备方法是工艺简单、可控性强、成本低廉、效果明显且保持原有空间晶体结构不变的前提下,不引入羟基、羧基等官能团,以保持其疏水性。而目前已有的制备方法不能达到上述全部要求,无法制备出综合性能优异的高质量大面积的新型石墨烯单晶材料。石墨烯距离未来大规模应用还需克服许多难题。

参考文献:

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作者简介

李鹏飞 国务院发展研究中心国际技术经济研究所研究五室,研究助理

研究方向:信息领域战略、技术和产业前沿

联系方式:lifei@drciite.org

张宇国务院发展研究中心国际技术经济研究所研究一室,研究助理

研究方向:机器人、3D打印、工业互联网、高端装备制造等

联系方式:zhangy@drciite.org

武志星国务院发展研究中心国际技术经济研究所研究三室,研究助理

研究方向:海洋、新材料领域战略、技术和产业前沿

联系方式:wuzhixing@drciite.org

唐乾琛国务院发展研究中心国际技术经济研究所研究五室,研究助理

研究方向:信息领域战略、技术和产业前沿

联系方式:tangqc@drciite.org

作者丨 李鹏飞 张宇 武志星 唐乾琛

编辑丨 刘瑾

研究所简介

国际技术经济研究所(IITE)成立于1985年11月,是隶属于国务院发展研究中心的非营利性研究机构,主要职能是研究我国经济、科技社会发展中的重大政策性、战略性、前瞻性问题,跟踪和分析世界科技、经济发展态势,为中央和有关部委提供决策咨询服务。“全球技术地图”为国际技术经济研究所官方微信账号,致力于向公众传递前沿技术资讯和科技创新洞见。

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本文源自头条号:全球技术地图

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