技经观察 | 碳基半导体：中国芯片产业发展新机遇技术篇( 二 ) 碳基半导体作为有可能继承硅

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。
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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。
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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。

技经观察 | 碳基半导体：中国芯片产业发展新机遇 技术篇( 二 )

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