2020年之后的電子學：碳基電子學的機遇和挑戰

彭練矛

2020年之后的電子學：碳基電子學的機遇和挑戰

彭練矛

集成電路芯片是現代信息技術的基石。現代電子芯片組成器件中約90%源于硅基互補金屬—氧化物—半導體（complementary metal oxide semiconductor，CMOS）器件。經過半個世紀的快速發展，硅基CMOS技術已經走到了 14納米技術節點，即將進入10納米節點，并將在2020年達到其性能極限。

硅基CMOS技術的局限

硅基CMOS技術的核心是高性能電子型和空穴型場效應晶體管（field effect transistor，FET）的制備，以及這兩種互補場效應晶體管的集成。隨著晶體管尺度的縮減，器件加工遇到越來越嚴重的技術障礙，最主要的問題集中于器件的加工精度和摻雜的均勻性。隨著器件尺度的不斷減小，場效應晶體管的源漏電極之間載流子通道的物理長度已減至10納米以下，這時晶體管物理尺度的不確定性將不能忽略。同時，傳統微電子器件的電學性質是通過控制向本征半導體材料的摻雜來進行調制的，當器件尺度達到納米量級時，器件中雜質原子的數目將減少到十幾或者更少，相應的統計誤差將高達百分之幾十。另外，納米尺度導電通道中高強度的電場很容易誘發雜質原子的遷移，嚴重影響場效應晶體管電學性質的性能和穩定性。

目前，關于納米尺度硅基場效應晶體管已有許多報道， 但是制備出這些小尺度的場效應晶體管并未表明納米尺度器件的加工均勻性問題已得到解決，或者原則上可以解決。更為重要的是，器件尺度的縮減所帶來的性價比紅利正迅速變薄。隨著微納加工技術的發展，未來仍可能制備出物理尺度更小（例如5 nm）的器件，但是這些更小尺度器件的性能不一定更好，其制備成本也可能不降反升。無論這些問題的答案如何，按照目前微電子技術的發展速度，器件的物理尺度將在 2020年之前達到量子力學所允許的絕對極限。

國際半導體技術發展趨勢

在 2015年度國際固態電路會議（International Solid-State Circuits Conference，ISSCC）上，英特爾（Intel）公司公布了新的10納米技術方案以及在7納米及以下如何繼續保持摩爾定律的研究計劃。為了實現7納米工藝，英特爾認為必須采納新的基礎材料，10納米工藝很有可能成為硅基芯片的終點。IBM公司也認為，微電子工業走到7納米技術節點時將不得不面臨放棄繼續使用硅作為支撐材料。之后，非硅基納電子技術的發展將可能從根本上影響未來芯片和相關產業的發展。IBM的系統計算表明，10納米技術節點后碳納米管芯片在性能和功耗方面都將比硅芯片有明顯改善。例如從硅基7納米技術到5納米技術，芯片速度大約提升20%；而相比硅基 7納米技術，碳納米管基 7納米技術的芯片速度將提升300%。IBM宣布，由碳納米管構成的、速度是目前芯片5倍的芯片將于2020年之前成型。

長期以來，半導體工業的發展是以國際半導體技術路線圖（International Technology Roadmap forSemiconductors，ITRS.http:// public.itrs.net）為導向的。2005年，ITRS委員會首次明確指出：在2020年前后，硅基CMOS技術將達到其性能極限。以 2020年作為時間節點，來自工業界和學術界的研究人員都在積極尋找硅的替代技術。然而，可供選擇的名單并不多。

2007年，ITRS委員會認識到發展新型納米器件的緊迫性。為了制定更詳盡的半導體技術路線圖，要求新興研究材料工作組（Emerging Research Materials，ERM）和新興研究器件工作組（Emerging Research Devices，ERD）推薦一兩種最有前景的新興材料和器件技術。在對所有的硅基CMOS替代技術——包括納電子機械開關，集體自旋器件，自旋矩轉移器件，原子開關，單電子晶體管，碳基納電子學等進行考察、評估之后，工作組明確推薦碳基納電子學（包括碳納米管和石墨烯）作為可能在未來5～10年顯現商業價值的下一代電子技術。

2020年是一個重要的時間節點，美國政府和公司為之做了系統規劃。美國國家科學基金會（National Science Foundation，NSF）2008年專門啟動了“超越摩爾定律的科學與工程”（Science and Engineering Beyond Moore’s Law，SEBML）項目，用以專門資助硅技術可能替代者的研究，其中碳基納電子學研究被視為重中之重。此外，已執行了10余年的美國國家納米技術計劃（National Nanotechnology Initiative，NNI），除了通過常規途徑繼續對碳納米材料和器件給予重點支持，還于2011年設立了“2020年后的納米電子學”（Nanoelectronics for 2020 and Beyond）研究專項，每年專項資金高達上億美元。歐盟各國政府與公司同樣對碳基納電子技術進行了重點支持，歐盟于2013年啟動了“石墨烯旗艦計劃”（Graphene Flagship），用以資助石墨烯及相關二維材料的研究，期望以此推動信息領域、通信領域的技術革命。

碳納米管電子學的優勢

碳納米管具有極其優異的電學、光學、熱學、磁學以及力學性能，是理想的納電子和光電子材料。碳納米管具有特殊的幾何結構，使得費米面附近的電子態主要為擴展π態。由于沒有表面懸掛鍵，表面以及碳納米管結構的缺陷對擴展 π態的散射效應對電子在材料中的傳輸幾乎沒影響。室溫下，碳納米管中電子和空穴的本征遷移率均極高，超出了最好的硅基半導體材料。

通過控制結構，由碳納米管可以得到金屬管和半導體管。小偏壓情況下，電子平均自由程可以達到幾微米，由于典型的碳納米管器件長度為幾百納米，器件中電子輸運呈現完美的彈道輸運特征。典型的金屬性碳納米管在室溫下電阻率為10-6Ω·cm，性能優于最好的金屬導體。

碳納米管器件不僅具有優異的導電性能，其熱導率也達到了6000瓦/毫開，遠遠優于最好的熱導體。

另外，碳納米管器件還能承受極高的電流上限，有非常好的高頻響應，性能優于所有已知的其他半導體材料。

五大挑戰及其解決途徑

碳納米管的主要潛在優勢源于它擁有完美的結構、超薄的導電通道、極高的載流子遷移率和穩定性。然而，從理論與實驗研究到工業應用，人們還面臨著巨大的挑戰。2009年，ITRS明確提出了碳納米管電子學所面臨的五大挑戰。下面將對這五大挑戰以及解決途徑做一簡單介紹。

能隙控制

由于具有很高的載流子遷移率以及具有彈道輸運的特性，碳納米管場效應管的相關應用成為研究焦點。單壁碳納米管（single-walled carbon nanotube，SWCNT）要在CMOS技術中得到實際應用，首先要能生長出具有緊致能隙分布的半導體性 SWCNT。為了實現原位能隙分布控制，在生長過程中碳納米管的直徑和手征性必須得到嚴格控制。目前，幾乎所有的生長技術中都會出現的金屬性和半導體性SWCNT共存問題是制約碳納米管電子學發展的瓶頸。純半導體性SWCNT陣列的選擇生長是面臨的第一個技術挑戰。

北京大學李彥課題組和美國杜克大學劉杰課題組多年來一直致力于SWCNT的可控生長研究，2009年兩個課題組聯合在單晶石英襯底上成功生長出完美排列的SWCNT陣列。拉曼光譜以及電學方面的相關測量證實，陣列中半導體性SWCNT的比例達到95%。最近，通過設計高溫下穩定的催化劑并控制其和碳納米管結構的匹配，李彥研究組在結構控制生長方面取得了突破性的進展，有望將其發展成為通用方法，以滿足碳納米管集成電路規模制備對于半導體純度的要求。

碳納米管位置、方向控制

要實現碳納米管器件的工業應用，同樣必須在材料生長過程中精確地控制碳納米管的生長位置，并使碳納米管嚴格地按器件設計所要求的方向排列。這個方向的研究在過去幾年中取得了實質性的進展。利用傳統的催化生長技術，在石英或藍寶石表面可以圖案化定位生長出排列整齊的SWCNT陣列，其管徑大小由催化劑和碳管與基底相互作用共同決定，同時這些相互作用和基底的晶格取向決定了碳納米管的生長方向。但通過這種方法生長的SWCNT陣列密度較低，一般每微米僅有10～50根SWCNT。2014年，北京大學張錦課題組發展了新的“特洛伊”方法，通過預處理將催化劑埋藏在基底，在碳納米管生長過程中再將其釋放，使得碳納米管的密度高達每微米 130余根，達到了高性能器件設計的需要。

碳納米管電學接觸

1998年，荷蘭德克爾（C. Dekker）研究組和美國IBM基礎研究實驗室同時報道了第一個碳納米管晶體管，揭開了碳納米管電子學研究的序幕。但最初的碳納米管晶體管接觸不好，性能遠低于硅基器件。2003年美國斯坦福大學戴宏杰研究組首先采用金屬鉛（Pb）作為電極，制備出了性能接近理論極限的碳納米管彈道空穴型器件。之后許多研究組嘗試通過摻雜方法制備高性能電子型器件，但均告失敗。特別是英特爾公司 2005年對所有納米晶體管進行了定量比較，發現雖然碳納米管空穴型器件性能遠優于相應尺寸的硅基器件，但通過化學摻雜方法制備出的電子型器件性能遠遜于硅基器件，半導體主流CMOS技術無法通過碳納米管材料得以實現。英特爾隨后在 2006年宣布放棄碳納米管作為后硅技術的主要候選支撐材料，導致該領域許多研究者離開了碳納米管，開始了對石墨烯電子學的探索。雖然相關研究取得了眾多進展，但石墨烯材料沒有能隙的先天弱勢至今仍未得到解決，阻礙著石墨烯技術成為未來主流電子學技術。

我國研究人員為碳納米管電子型晶體管制備難題的解決做出了基礎性貢獻。在系統研究了各種金屬和碳納米管接觸性質的基礎上，北京大學彭練矛研究團隊發現金屬鈧（Sc）和釔（Y）可以和半導體性碳納米管的導帶形成完美的電子型歐姆接觸。在此基礎上，通過縮減溝道長度，研究團隊首次制備出了碳納米管彈道電子型晶體管，其性能逼近量子極限，在速度和功耗上均遠超同等尺度的硅基器件。作為碳納米管電子型歐姆接觸方面唯一的實驗工作，被連續三次寫入2009年、2011年和2013年ITRS的“新興研究材料”和“新興研究器件”報告。

載流子濃度控制

納米尺度器件中載流子濃度的控制是納米電子學面臨的又一關鍵挑戰。一般氧化硅（SiO2）基底上的碳納米管傾向表現為空穴型半導體。在碳納米管CMOS器件的早期研究中，為了使空穴型碳納米管轉化為電子型半導體，最常見的方法是向碳納米管摻雜鉀（K）元素。然而碳納米管完美的晶格結構雖然保證了材料具有極高的遷移率，但同時也給可控摻雜帶來了極大困難。鉀摻雜屬吸附性摻雜，但這種摻雜很不穩定，而由于碳基納米材料完美的晶格結構，替代性摻雜非常困難，目前尚無法實現幾十納米器件通道的可控和穩定摻雜。更為根本的是，摻雜將不可避免地破壞碳納米材料的完美結構，增加散射，降低器件性能。

2007年彭練矛團隊提出對于半導體性的碳納米管可以通過控制電極材料實現向晶體管選擇性注入電子或空穴，進而達到控制器件中載流子濃度和類型的目的。例如，采用高功函數金屬鉛作為接觸電極，空穴可以被無勢壘地注入碳納米管的價帶，器件呈現為空穴型；采用低功函數金屬鈧或者釔作為接觸電極，電子可以被無勢壘地注入碳納米管的導帶，器件呈現為電子型。基于此原理，可以完全放棄傳統半導體工藝中通過化學摻雜來控制材料電學性質的核心理念，采用“無摻”方式實現高性能碳納米管CMOS電子和光電器件。利用這種新理念和新技術，研究團隊2008年首次成功制備出高性能的碳納米管 CMOS電路，在同一根碳納米管上實現了性能對稱的電子型和空穴型器件的制備，且成型器件中電子和空穴的遷移率均達3000厘米2/（伏·秒），遠遠超過了硅基CMOS器件水平。

柵介質/界面

器件的工作速度與器件中的電流成正比，而場效應晶體管中溝道電流的控制是通過柵和溝道間的電容耦合來實現的。由于柵電容與柵介質的介電常數成正比，合適的高介電常數柵介質是實現高效能場效應晶體管的前提。自第一個CMOS集成電路問世以來，氧化硅一直是柵氧化層的首選材料。2007年，英特爾在 45納米技術節點首次采用具有高介電常數的氧化鉿（HfO2）取代氧化硅，極大地提高了CMOS器件的性能。雖然在硅基納米材料中，氧化鉿是合適的氧化層材料，但碳基納米結構具有完美的晶格結構，由于缺少成核中心，傳統的生成技術，如原子層沉積技術（atomic layer deposition，ALD無法在碳納米結構表面生長出超薄氧化鉿介電層。

彭練矛研究團隊發現金屬釔不僅可以和碳納米管的導帶形成完美歐姆接觸，適當條件下將其氧化，還可在碳基納米材料上得到高質量連續氧化釔（Y2O3）介質薄膜。集成了這種柵介質的碳納米管電子型晶體管首次達到了關斷特性（turn-off characteristic）的理論極限，其亞閾值擺幅在室溫下達到了60毫伏/倍頻程，被2013年 ITRS選為“國際上性能最好的碳納米管晶體管”。氧化釔柵介質成為ITRS推薦的唯一碳基器件柵介質材料，被同時寫入2011年ITRS的ERD和2011年、2013年的ERM報告中。

碳納米管電子技術發展前景

經過半個世紀奇跡般的發展，硅基CMOS技術即將進入10納米技術節點，并將在2020年之前達到其性能極限，后摩爾時代的納電子科學與技術的研究變得日趨急迫。目前包括英特爾和 IBM在內的很多企業認為微電子工業走到7納米技術節點時可能不得不面臨放棄繼續使用硅作為支撐材料。IBM研究人員系統層面的計算表明進一步縮減器件尺度，漏電流所造成的系統性能下降將超過由于縮減器件尺度所帶來的速度等紅利，系統整體性能將不升反降。在不多的幾種候選材料中，碳納米管材料是唯一可以通過減小器件直至5納米技術節點而繼續提高系統整體性能的材料，是后摩爾時代硅材料最有希望的替代材料。

高度成熟的硅基CMOS技術的保障是近乎完美的硅單晶材料的規模制備技術和精準的基于摻雜的性能調控技術。雖然自1993年單壁碳納米管發現以來，碳納米管可控制備技術已有了極大的發展，但是不論在碳納米管的半導體純度控制方面還是碳納米管陣列的密度控制方面，距離成為理想的大規模集成電路制備用電子材料尚有一定距離。各種基于新的物理和化學方法的奇思妙想不斷涌現，但文獻報道的實驗結果往往不可重復。碳納米管技術與硅基CMOS技術不論加工、測試還是模擬均存有巨大差異，需要加強研究力量，尋找更加協調的方式來實現和高度成熟的硅基芯片設計技術的接軌。

2020年將是一個非常重要的時間節點。屆時一旦有跡象表明可能形成后硅時代技術，將會對整個芯片產業的格局和發展產生重大影響。北京大學碳電子研究團隊最新研究結果表明，在10納米技術節點碳納米管晶體管的速度和功耗均較硅基器件有10倍以上的優勢，進入亞 10納米技術節點后這種優勢還將繼續加大。2013年9月，美國斯坦福大學研究組在英國《Nature》周刊以封面文章的形式報道制造出了世界上首臺由178個晶體管構成的碳納米管計算機。2014年7月1日《MIT技術評論》報道，IBM宣布商業碳納米管晶體管即將來臨——由碳納米管構成的比現有芯片快 5倍的芯片將于 2020年之前成型。基于碳納米管的集成電路技術不再是遙不可及的夢想，現代信息科技與產業的支撐材料正加速從硅到碳進行轉變。

我國的研究人員經過10余年的努力，在碳基納電子學研究領域已做出原創性貢獻，發展了一整套碳納米管CMOS集成電路和光電器件的無摻雜制備新技術，成了下一代信息處理技術的強有力競爭者，相關成果被15次寫入ITRS。特別是在2011年度ITRS的“新興研究器件”報告中，和碳納米管器件相關的9項進展，中國的研究進展占據了4項；2013年報告中的11項進展中，中國研究成果占據了3項。

由于碳基集成電路的研制是一個龐大的系統工程，涉及材料學、微納加工技術、電子器件的設計和制備、系統集成等多個領域，傳統的課題組自由研究模式難以滿足碳基集成電路研制的需要。然而相較于美國、歐洲對碳基納電子學的詳盡規劃和巨資投入，我國尚未有相應的碳基電子學國家戰略。碳基CMOS技術屬顛覆技術，未來10年的發展將可能影響到我國上萬億元的芯片及其上下游相關產業。為搶占這一未來半導體技術戰略制高點，需要國家抓住機遇，盡快啟動碳基集成電路的國家戰略計劃，力爭使碳基電子能夠在中國開花、結果，形成中國自己的碳基納電子產業。?

【作者單位：北京大學】

（摘自《科學》2016年第2期）

責任編輯：吳曉麗