當摩爾定律逼近物理極限，硅芯片制程工藝的天花板觸手可及，集成電路產(chǎn)業(yè)將走向何方？

這是全球從業(yè)者亟待思考和做出決策的問題，同時也是大國科技競賽的重要砝碼，誰率先找到另辟蹊徑的新方向，便意味著獲得「彎道超車」賽道的門票。

傳統(tǒng)芯片玩家試圖通過軟件和算法尋求出路，一些研究者則在材料源頭進行創(chuàng)新。

在「替代硅」新材料的冗長候選名單中，碳納米管憑借與硅同屬族元素，具備多種相似性質(zhì)基礎，并且較前者具備更好的工藝兼容性，成為發(fā)展下一代晶體管集成電路的最理想材料。

當然，在這個最具希望的集成電路前沿賽道上，中美兩國同樣在進行著意味深長的競賽與角逐。

中國基于硅基CMOS技術的傳統(tǒng)芯片產(chǎn)業(yè)一直處于被西方「卡脖子」的相對落后的境地。那么在硅以外的新材料集成電路領域，中國的勝算幾何，布局多少？

撰文 | 吳昕、力琴

編輯 | 四月

一 中美集成電路的前沿焦點

近日，北京大學碳基電子學研究中心、納米器件物理與化學教育部重點實驗室張志勇教授-彭練矛教授課題組提出針對「碳納米管」的全新的提純和自組裝方法。

制備出高密度高純半導體陣列碳納米管材料，并在此基礎上首次實現(xiàn)了性能超越同等柵長硅基CMOS技術的晶體管和電路，展現(xiàn)出碳管電子學的優(yōu)勢。

這一成果，解決了長期困擾碳基半導體材料制備的瓶頸，如材料的純度、密度與面積問題，成為碳基半導體進入規(guī)模工業(yè)化奠定基礎，也為我國芯片制造產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)“彎道超車”提供巨大潛力。北京大學電子系教授、中國科學院院士彭練矛表示，用碳管制成的芯片，有望使用在手機和5G微基站中。

更廣泛地，碳基技術可應用于國防科技、衛(wèi)星導航、氣象監(jiān)測、人工智能、醫(yī)療器械等多重領域。

5月22日,相關研究成果在線發(fā)表于《Science》（第368卷6493期850～856頁），以《用于高性能電子學的高密度半導體碳納米管平行陣列》（Aligned, high-densitysemiconducting carbon nanotube arrays for high-performance electronics）為題。

電子學系2015級博士研究生劉力俊和北京元芯碳基集成電路研究院工程師韓杰為并列第一作者，張志勇和彭練矛為共同通訊作者。

緊隨其后，來自麻省理工學院的研究則進一步放大了碳納米管在工業(yè)場景的商業(yè)化潛力。

6月1日，麻省理工學院電氣工程和計算機科學助理教授Max Shulaker團隊展示了如何在200毫米的標準晶圓上批量制造碳納米管場效應晶體管(CNFETs)，其成果以《工業(yè)硅生產(chǎn)設備中碳納米管場效應晶體管的制備》（Fabrication of carbon nanotube field-effect transistors in commercial silicon manufacturing facilities）為題發(fā)表在《Nature》子刊《Nature Electronics》雜志上。

在商用硅代工廠內(nèi)整合碳納米管場效應晶體管

他們在基于制造CNFET沉積技術的改進，與傳統(tǒng)方法相比，將制造進程加快了1100多倍，同時也降低了生產(chǎn)成本。該技術將碳納米管邊對邊地沉積在晶圓上，14400×14400的陣列CFNET分布在多個晶圓上。

目前，該團隊在兩個不同的工廠成功地測試了這種新方法，包括 Analog Devices公司經(jīng)營的商業(yè)硅制造工廠和SkyWater Technology公司經(jīng)營的大批量半導體代工廠。

二 碳基材料的核心難題被中國團隊攻克

現(xiàn)代信息技術的基石是集成電路芯片, 而構(gòu)成集成電路芯片的器件中90%是源于硅基 CMOS技術。

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，基于碳基的集成電路技術即將進入2-3nm技術節(jié)點，摩爾定律即將逼近物理極限的聲音也成為業(yè)界主流, 后摩爾時代的納電子科學與技術的研究變得日趨急迫，非硅基納電子技術的發(fā)展將可能從根本上影響到未來芯片和相關產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

在若干可能的硅基替代技術中, 碳納米管技術目前已被眾多學者和包括 IBM 在內(nèi)的大公司認為是最有可能成功的技術。碳納米管可作為制備碳基半導體的材料，這是一種以碳基納米材料為基礎發(fā)展而來的導電材料。

然而，碳納米管集成電路批量化制備的前提是實現(xiàn)超高半導體純度、順排、高密度、大面積均勻的碳納米管陣列薄膜。

相較以往的制造工藝，這樣的生產(chǎn)要求是難以達到的，材料問題的制約導致碳管晶體管和集成電路的實際性能遠低于理論預期，成為碳管電子學領域所面臨的最大的技術挑戰(zhàn)。

制備出首個超越相似尺寸的硅基CMOS的器件和電路，一直都是基礎制備材料領域的夢想。

中國科學院院士北京大學教授彭練矛。從2000年起，彭練矛已在碳基納米電子學領域堅守了近20年，帶領研究團隊探究用碳納米管材料制備集成電路的方法，一路披荊斬棘。被譽為是國產(chǎn)碳芯片發(fā)展的領軍人。

北大張志勇教授-彭練矛教授課題組采用多次聚合物分散和提純技術得到超高純度碳管溶液，并結(jié)合維度限制自排列法，在4英寸基底上制備出密度為120 /μm、半導體純度高達99.9999%、直徑分布在1.45±0.23 nm的碳管陣列，并在此基礎上首次實現(xiàn)了性能超越同等柵長硅基CMOS技術的晶體管和電路，從而達到超大規(guī)模碳管集成電路的需求。

大規(guī)模集成電路對碳管材料的要求：碳納米管集成電路批量化制備的前提是實現(xiàn)超高半導體純度（>99.9999%）、順排、高密度（100～200 /μm）、大面積均勻的碳納米管陣列薄膜。

課題組從市售的碳納米管開始，將其置于甲苯溶劑中，并在其中加入聚合物，然后將其放入離心機中對包覆的納米管進行分選。再重復該過程兩次，進一步對它們進行分選，結(jié)果得到99.9999%的納米管溶液，比之前采用的方法達到的99.99%有所改進。研究人員表示，通過多次重復該過程，可以進一步提高納米管的選擇率。

高密度、高純度半導體碳管陣列的制備和表征

基于這種材料，批量制備出場效應晶體管和環(huán)形振蕩器電路，100nm柵長碳管晶體管的峰值跨導和飽和電流分別達到0.9mS/μm和1.3mA/μm（VDD=1 V），室溫下亞閾值擺幅為90mV/DEC。

高性能碳管晶體管

批量制備出五階環(huán)形振蕩器電路，成品率超過50%，最高振蕩頻率8.06GHz遠超已發(fā)表的基于納米材料的電路，且超越相似尺寸的硅基CMOS器件和電路。

碳管高速集成電路

據(jù)彭練矛團隊介紹，碳納米管作為一種新型納米半導體材料，在物理、電子、化學和機械方面，具備特殊優(yōu)勢。早在2018年，他們就利用碳納米管網(wǎng)絡薄膜作為材料，在超薄柔性襯底上制備出高性能的CMOS電子器件，并成功地將傳感集成系統(tǒng)應用于人體信息監(jiān)測。

彭練矛和張志勇所在的北京碳基集成電路研究院在接受媒體采訪時表示，碳基技術有著比硅基技術更優(yōu)的性能和更低的功耗，性能功耗綜合優(yōu)勢在5到10倍，這意味著碳基芯片性能比相同技術節(jié)點的硅基芯片領先三代以上。

比如，采用90納米工藝的碳基芯片有望制備出性能和集成度相當于28納米技術節(jié)點的硅基芯片；采用28納米工藝的碳基芯片則可以實現(xiàn)等同于7納米技術節(jié)點的硅基芯片。

「我們的碳基半導體研究是代表世界領先水平的。」彭練矛在接受采訪時表示。與國外硅基技術制造出來的芯片相比，我國碳基技術制造出來的芯片在處理大數(shù)據(jù)時不僅速度更快，而且至少節(jié)約30%的功耗。

三 碳納米管從美國實驗室走向工業(yè)場景

硅晶體管尺寸的不斷縮小，推動著電子技術的進步。當摩爾定律走到盡頭，硅晶體管縮小變得越來越困難。

以半導體碳納米管為基礎的晶體管，作為先進微電子器件中硅晶體管的替代品，與金屬氧化物半導體場效應管（MOSFET）類似，它成為構(gòu)建下一代計算機的基本單元。

當然，盡管碳納米管場效應晶體管（CNFET）比硅場效應晶體管更節(jié)能，但它們目前仍大多存在于實驗室當中?，F(xiàn)在，麻省理工學院Shulaker研究團隊通過對標準納米管沉積溶液工藝進行優(yōu)化，將少量的納米管溶液沉積在晶圓上，顯著提高了吞吐量，加快了沉積過程的速度超過1,100倍，同時降低了成本。

這使他們能夠在商業(yè)硅制造廠和大批量半導體代工中制造碳納米管場效應晶體管。

Max M. Shulaker是2013年第一臺碳納米管計算機研究成果第一作者；于2016年加入MIT擔任助理教授，繼續(xù)開展碳納米管相關的研究。

目前，將碳納米從實驗室轉(zhuǎn)移到工業(yè)場景面臨的核心挑戰(zhàn)在于：所有用于制造碳納米管場效應晶體管的材料和工藝必須滿足硅基商業(yè)制造設施的嚴格的兼容性要求，更深層次的挑戰(zhàn)還在于，如何在工業(yè)標準基板尺寸（200mm直徑的晶圓及以上）上均勻地沉積碳納米。

要實現(xiàn)這種碳納米沉積技術必須滿足三個條件：

一是在保證規(guī)?；a(chǎn)的同時，最大限度地降低成本；

二是要能夠利用現(xiàn)有設備，不引入禁止的化學污染物或微粒；

三是要實現(xiàn)比同等尺寸硅基更強的性能。

在實驗室中構(gòu)建CFNET的最有效的方法之一是納米管沉積方法，即將晶圓浸泡在納米管液中，直到納米管粘在晶圓表面。

碳納米管場效應晶體管(CNFETs)的性能在很大程度上是由沉積工藝決定的，它影響著晶圓表面碳納米管的數(shù)量和方向。'它們 '要么以隨機的方向粘在晶圓上，要么全部排列在同一方向。

這種沉積方法雖然對工業(yè)界來說很實用，但根本無法使納米管對齊。通過對沉積過程的仔細觀察，研究人員發(fā)現(xiàn)干式循環(huán)，一種間歇性地干燥浸泡晶圓的方法，可以將沉積時間從48小時大幅縮短到150秒。

通過ACE方法培養(yǎng)提高碳納米管沉積的方法。

于是，他們提出了ACE（通過蒸發(fā)人工濃縮），將少量的納米管溶液沉積在晶圓上，而不是將晶圓浸泡在槽中。溶液的緩慢蒸發(fā)增加了碳納米管的濃度和沉積在晶圓上的納米管的總體密度。

目前，研究人員與商業(yè)硅制造廠Analog Devices和半導體代工廠SkyWater Technology合作，使用改進后的方法制造出了CNFET。他們能夠使用這兩家工廠制造硅基晶圓所使用的相同設備，同時也確保了納米管溶液符合這兩家工廠對化學和污染物的嚴格要求。

值得注意的是，該研究產(chǎn)出的并非傳統(tǒng)意義上的計算機芯片，僅是制造工藝的演示，而且晶體管的柵極長度（即制程）為130nm，相當于2001年代的芯片工藝。新工藝也只實現(xiàn)了45個納米管/微米，這仍然明顯低于之前研究人員預測的200個的最佳密度。

不過，研究人員還對納米管的密度與能效關系進行了分析：即使在較低的密度下，節(jié)省的成本也會很可觀。即使納米管密度為25，也會帶來2.5倍的能效提升。

雖然要將這一突破轉(zhuǎn)化為一個實用芯片技術還有很長的路要走，但它是朝著高性能納米管計算的未來邁出的重要一步，可能成為摩爾定律之后下一個最為重要的「武器」。