观点丨石墨烯要做硅材料的接班人?碳纳米管表示不服

石墨烯与碳纳米管一样具有优良的性质,而且构建器件时不必经历复杂的分离过程,比碳纳米管实用性更强,在制备上也取得了一定的突破,但其发现较晚,在器件制备上还有待探索。在未来,二者可能共同成为构成集成电路的主导材料。

2017年1月20日,顶级科学杂志Nature刊登了北京大学教授彭练矛和物理电子学研究所副所长张志勇课题组在碳纳米管电子学领域取得的世界级突破:首次制备出5 nm栅长高性能碳纳米管晶体管,并证明其性能超越同等尺寸硅基CMOS场效应晶体管,将晶体管性能推至理论极致。

2月27日,央视新闻频道播出了专题节目《神奇的石墨烯》,节目中提到,石墨烯有望替代硅,成为下一代芯片的主要材料。利用石墨烯制造新一代器件,也有望让我国的芯片制造业实现弯道超车,达到国际先进水平。

众所周知,全球的集成电路产业一直在摩尔定律的“照耀”下沿着硅基的路线前行,但当主流的CMOS技术发展到10 nm技术节点之后,后续发展越来越受到来自物理规律和制造成本的限制,摩尔定律有可能面临终结。20多年来,科学界和产业界一直在探索各种新材料和新原理的晶体管技术,期望替代硅基CMOS技术,但到目前为止,并没有机构能够实现10纳米的新型器件,并且也没有新型器件能够在性能上真正超过最好的硅基CMOS器件。

碳基超越硅基?

2005年,国际半导体技术线路图(ITRS)委员会首次明确指出在2020年前后硅基CMOS技术将达到其性能极限。后摩尔时代的集成电路技术的研究变得日趋急迫,很多人认为微电子工业在走到7 nm技术节点之后可能不得不面临放弃继续使用硅材料作为晶体管导电沟道。在为数不多的可能替代材料中,碳基纳米材料被公认为最有可能替代硅材料。

2008年ITRS新兴研究材料和新兴研究器件工作组在考察了所有可能的硅基CMOS替代技术之后,明确向半导体行业推荐重点研究碳基电子学,作为未来5~10年显现商业价值的下一代电子技术。美国国家科学基金委员会(NSF)十余年来除了在美国国家纳米技术计划中继续对碳纳米材料和相关器件给予重点支持外,在2008年还专门启动了“超过摩尔定律的科学与工程项目”,其中碳基电子学研究被列为重中之重。其后美国不断加大对碳基电子学研究的投入,美国国家纳米计划从2010年开始将“2020年后的纳米电子学”设置为3个重中之重的成名计划(signature initiatives)之一。除美国外,欧盟和其他各国政府也高度重视碳纳米材料和相关电子学的研究和开发应用,布局和继续抢占信息技术核心领域的制高点。

碳纳米管材料中,最有可能替代硅的有两个,碳纳米管和石墨烯。在石墨烯获得诺贝尔奖之前,碳纳米管一直被认为是最有可能代替硅的半导体材料,而如今,由于石墨烯在全球范围内的狂热,似乎有代替碳纳米管之势,那么,石墨烯和碳纳米管,究竟谁能堪当大任呢?

碳纳米管集成电路的研发优势与发展现状

1991年,日本NEC公司的饭岛澄男在高分辨透射电子显微镜下检验石墨电弧设备中产生的球状碳分子时,意外发现了由碳分子组成的管状同轴纳米管,也就是现在被称作的碳纳米管CNT,又名巴基管。

碳管材料具有极为优秀的电学特性。室温下碳管的n型和p型载流子(电子和空穴)迁移率对称,均可以达到10000cm2/(V•s)以上,远超传统半导体材料。另外碳管的直径仅有1~3 nm,更容易被栅极电压非常有效开启和关断。

碳纳米管相对于硅材料的优点:

1)载流子输运是一维的。这意味着减少了对载流子散射的相空间,开辟了弹道输运的可能性。相应地,功耗低。

2)所有碳原子的化学键都是链接的,由此,没有必要进行化学钝化工艺以消除类似存在于硅表面的悬挂键。这意味着碳纳米管电子不一定非得使用二氧化硅绝缘体,高介电常数和晶体绝缘体都可以直接使用。

3)强共价键结构能使碳纳米管具有较高的机械稳定性和热稳定性,且对电迁移有很好的抵抗力,可以承受的电流密度高达10 A/cm。

4)它们的关键尺寸,即直径,是由化学反应控制,而不是传统的制造工艺。

5)原则上,无论是有源器件(晶体管)还是互连联结线,都可以分别由半导体属性和金属属性的碳纳米管制成。

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斯坦福大学研究组采用如(a)所示的碳纳米管阵列制备出了如(b)所示的世界上第一个碳纳米管计算机;(c)主要功能单元的扫描电子显微镜像

碳纳米管半导体器件的研究进展:

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近年来,基于碳纳米管的碳基电子学研究取得了飞速发展,并逐渐从基础研究转向实际应用。得益于材料自身的优良性质和世界范围的政策和资金支持,研发人员在碳纳米管的器件物理、器件制备、集成方法等方面都取得了相当的成就,达到了其他纳米材料从未达到过的高度。

研究进展表明碳基电子学器件相比传统硅基器件具有5~10倍的速度和能耗优势,可以实现5 nm以下的半导体技术节点,满足2020年之后新型半导体芯片的发展需求。研发人员已经实现了具有各种功能的基础逻辑单元,原则上就可以利用这些逻辑单元制备出具有极高复杂程度的碳基集成电路。

Science杂志于2013年发表了美国斯坦福大学的研究人员采用178个碳纳米管晶体管制造出的的计算机原型。MIT Technology Review于2014年报道了美国IBM公司表示将在2020年之前利用碳纳米管制备出比现有芯片快5倍的半导体芯片。美国IBM公司于相关媒体发表的结果表明,基于碳纳米管的半导体芯片在性能和能耗方面都比传统硅基芯片有显著改善:硅基半导体技术从7 nm缩减到5 nm节点,相应的芯片性能大约有20%的增加,而7 nm技术节点下的碳基半导体技术比硅基7 nm的性能提高300%,相当15代硅基技术的改善。这些进展使半导体产业界看到了碳基电子学时代的曙光,有望将性能持续提高的摩尔定律延续到2050年。

但是,碳纳米管也有限制,人工制造的碳纳米管是金属特性和半导体特性的混合体.这2种属性的碳纳米管相互“粘连”成绳索状或束状,使得碳纳米管的用途大打折扣,因为只有半导体特性的纳米管才有晶体管性能。现有的制备方法生产出的碳纳米管均为各种手性和不同管径的混合,手性和管径的不同,直接导致导电性质的不同,这使得碳纳米管在大部分实际应用存在许多困难。

彭练矛教授在接受采访时透露,目前IBM在碳纳米管研究方向上采用的是掺杂制备方法,而彭练矛与张志勇课题组采用的是无掺杂制备方法,这是全球首创的,他们课题组经过10多年的研究,开发出无掺杂制备方法,研制的10 nm碳纳米管顶栅CMOS场效应晶体管,其p型和n型器件在更低工作电压(0.4 V)下,性能均超过了目前最好的、在更高工作电压(0.7 V)下工作的硅基CMOS晶体管。现在,他们又克服了尺寸缩小的工艺限制,成功开发出5 nm栅长碳纳米晶体管,其性能接近了由量子力学原理决定的理论极限。

石墨烯场效应晶体管的研究现状和进展

石墨烯是一种二维碳结构材料,因为其具有零禁带特性,即使在室温下载流子在石墨烯中的平均自由程和相干长度也可为微米级,所以是一种性能优异的导电材料。石墨烯场效应器件最重要的挑战之一是如何增加带隙,而又不降低它非常高的迁移率。

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石墨烯晶体管与传统的硅半导体晶体管相比,有以下特点:

(1)在电场的调控下,石墨烯中的载流子类型能够在电子和空穴间连续变化,具有双极型导电性。因此GFET无法像传统半导体晶体管那样被有效地关闭,不适于作逻辑器件。但采取一些新型的结构也能得到基于石墨烯的高开关电流器件;

(2)石墨烯的载流子迁移率很高,而且可被电场调控,在高频领域,尤其在射频(RF)领域中有很大的应用潜力。

(3)石墨烯本身为二维材料,有利于缩小电路尺寸和电路的集成。CVD制备的石墨烯可被转移到任意衬底上,有利于制备石墨烯与其他材料的异质结,研究新的物理现象和新的电子器件。

石墨烯优于碳纳米管的是,在制造碳纳米管的工艺中,会生成金属和半导体材料的碳纳米管混合物,在制作复杂电路时,碳纳米管必须经过仔细筛选和定位,目前还没有开发出非常好的方法,而这对石墨烯而言则要容易得多。这种独特的电性能使石墨烯作为一种替代材料在许多新的领域得到应用。

高电子/空穴迁移率和对称的能带结构使得石墨烯非常适合制作高频晶体管,虽然石墨烯导电能力极佳,但它缺乏能隙,即石墨烯中没有“电子态无法存在的禁带”的能量范围,限制了它作为开关器件方面的应用,而石墨烯纳米带(GNR)可以打开石墨烯的能隙,因此,类半导体的GNR引起了人们的极大关注,激发科学家研制全石墨烯电路的广泛兴趣。

据报导,曼切斯特大学Andre Geim小组,除了已开发出了10 nm级可实际运行的石墨烯晶体管外,他们尚未公布的最新研究成果,已研制出长宽均为1个分子的更小的石墨烯晶体管,该石墨烯晶体管实际上是由单原子组成的晶体管。

2008年IBM公司的Watson研究中心在世界上率先制成低噪声石墨烯晶体管。普通的纳米器件随着尺寸的减小,被称做1/f的噪音会越来越明显,使器件信噪比恶化,这种现象就是“豪格规则(Hooge’s Law)”。石墨烯、碳纳米管以及硅材料都会产生该现象,因此,如何减小1/f噪声成为实现纳米元件的关键问题之一。IBM通过重叠2层石墨烯,试制成功了晶体管。由于2层石墨烯之间生成了强电子结合,从而控制了1/f噪音。IBM公司的Ming-YuLin的发现证明,2层石墨烯有望应用于各种各样的领域。

2008年5月美国乔治亚科技学院德希尔与麻省理工学院林肯实验室合作在单一芯片上生成的几百个石墨烯晶体管阵列。

硅基的微计算机处理器在室温条件下每秒钟只能执行一定数量的操作,然而电子穿过石墨烯几乎没有任何阻力,所产生的热量也非常少。此外,石墨烯本身就是一个良好的导热体,可以很快地散发热量。由于具有优异的性能,由石墨烯制造的电子产品运行的速度要快得多。

石墨烯器件制成的计算机的运行速度可达到太赫兹,即1×10kHz的1000倍,如果能进一步开发,其意义不言而喻。

除了让计算机运行得更快,石墨烯器件还能用于需要高速工作的通信技术和成像技术。有关专家认为,石墨烯很可能首先应用于高频领域,如太赫兹波成像,用途之一是用来探测隐藏的武器。速度还不是石墨烯的唯一优点,硅不能分割成小于10 nm的小片,否则其将失去诱人的电子性能。与硅相比,石墨烯分割成1 nm小片时,其基本物理性能并不改变,而且其电子性能还有可能异常发挥。

结论:硅材料鹿死谁手还未可知

1)硅电子材料的发展已接近顶峰,碳纳米管和石墨烯有比硅材料器件更小的尺寸和更优良的电学性质,很有可能在未来取代硅材料。

2)碳纳米管性质优良而且发现较早,人们对其制取及构建器件的方法的研究比较深入,并取得了一些成果,足以证明碳纳米管有构建实用微电子器件的条件,但传统的构建器件的方法存在一些问题,而且对不同碳纳米管的分离是最大的挑战,实现碳纳米管集成电路仍需一定时间的探索。

3)石墨烯与碳纳米管一样具有优良的性质,而且构建器件时不必经历复杂的分离过程,比碳纳米管实用性更强,在制备上也取得了一定的突破,但其发现较晚,在器件制备上还有待探索。在未来,二者可能共同成为构成集成电路的主导材料。

本文转载自简书作者聚碳复材,链接:http://www.jianshu.com/p/a49fb2da83ae

材料牛石小梅编辑整理。

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