迎戰(zhàn)“碳基”時(shí)代

劉婉茹

從信息化到智能化，集成電路芯片的地位堪稱(chēng)“得芯片者得天下”，而芯片組成器件中，硅基CMOS器件占了足足九成。眼下，硅基CMOS技術(shù)已經(jīng)走進(jìn)了14納米的技術(shù)節(jié)點(diǎn)。但在后摩爾階段，其優(yōu)勢(shì)究竟能保持多久？IBM等企業(yè)認(rèn)為，硅基芯片即將走向終點(diǎn)，微電子工業(yè)也將在7納米技術(shù)節(jié)點(diǎn)時(shí)不得不放棄使用硅基材料。替代者是誰(shuí)？碳基納米材料——特別是碳納米管和石墨烯，被公認(rèn)為最佳潛力股。

為什么是碳基納米材料？完美的結(jié)構(gòu)、超薄的導(dǎo)電通道、極高的載流子遷移率和穩(wěn)定性，都使它備受青睞。IBM的系統(tǒng)計(jì)算展示出一組數(shù)據(jù)：硅基從7納米到5納米，芯片速度大約能提升20%；而同樣在7納米上，碳基芯片可以提速300%，相當(dāng)于15代硅基技術(shù)的改善。2020年之前，5倍于當(dāng)前硅基芯片速度的碳基芯片甚至也將成型。

可以說(shuō)，與最初由于接觸不良，性能遠(yuǎn)不及硅基器件的碳納米管晶體管相比，經(jīng)過(guò)了近20年的發(fā)展，碳基技術(shù)的出色令世界刮目相看。在碳納米管電學(xué)接觸上，北京大學(xué)彭練矛團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)金屬鈧或釔可以和碳納米管的導(dǎo)帶形成理想歐姆接觸，在此基礎(chǔ)上首次制備出性能達(dá)到理想彈道極限的n型碳納米管晶體管，被際半導(dǎo)體技術(shù)路線圖（ITRS）選為性能最好的碳納米管晶體管。這是碳納米管電子型歐姆接觸方面唯一的實(shí)驗(yàn)工作，鈧也成為ITRs推薦的碳基器件中首選n型歐姆接觸電極材料。

至于釔，他們還挖掘出另一重潛質(zhì)：在適當(dāng)條件下將其氧化，可以在碳基納米材料上的大高質(zhì)量連續(xù)氧化釔柵介質(zhì)薄膜。這一介質(zhì)層所創(chuàng)造的柵電容紀(jì)錄至今仍未被打破，因此成為ITRS推薦的唯一碳基器件柵介質(zhì)材料，被法國(guó)、美國(guó)等研究組用于構(gòu)建包括高性能柔性電子器件在內(nèi)的多種納電子器件。

納米尺度器件中載流子濃度的控制是納米電子學(xué)面臨的又一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。早期研究中，為了使空穴型碳納米管轉(zhuǎn)化為電子型半導(dǎo)體，最常見(jiàn)的方法就是摻雜鉀元素。但鉀摻雜屬于吸附性摻雜，極不穩(wěn)定，同時(shí)，碳納米管完美的晶格結(jié)構(gòu)為可控?fù)诫s帶來(lái)了極大困難。一著不慎，摻雜還將破壞這一完美結(jié)構(gòu)，降低器件性能。2007年，彭練矛團(tuán)隊(duì)提出了“無(wú)摻雜”新理念：通過(guò)控制電極材料來(lái)達(dá)到選擇性地向碳管注入電子或空穴，實(shí)現(xiàn)晶體管極性的控制。2008年，他們?cè)趯?shí)驗(yàn)室首次實(shí)現(xiàn)了碳管無(wú)摻雜高性能完美對(duì)稱(chēng)的CMOS電路的制備，在同一根碳納米管上實(shí)現(xiàn)了性能對(duì)稱(chēng)的電子型和空穴型器件的制備。而后，他們用比CMOS邏輯效率更高的傳輸晶體管邏輯設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了納米運(yùn)算器所需的全部電路，將電路的驅(qū)動(dòng)電壓降至0.4V的水平。《自然》雜志認(rèn)為，這種低功耗技術(shù)是追求基于碳納米管晶體管計(jì)算技術(shù)的最重要的推動(dòng)力之一。

2011年度中國(guó)科學(xué)十大進(jìn)展中，“實(shí)現(xiàn)碳納米管的高效光伏倍增效應(yīng)”上榜。這也是由彭練矛團(tuán)隊(duì)完成的。他們?cè)趯?shí)現(xiàn)首個(gè)碳管發(fā)光和光電二極管基礎(chǔ)上，發(fā)明了碳管級(jí)聯(lián)光電池技術(shù)，在一根10微米長(zhǎng)的碳管上實(shí)現(xiàn)了光電壓的5倍增，獲得了超過(guò)1V的光電壓，進(jìn)一步表明，在碳管上無(wú)需摻雜，僅需通過(guò)選擇電極組合即可實(shí)現(xiàn)完美的電子和光電子器件集成。

經(jīng)過(guò)十幾年的努力，他們已經(jīng)發(fā)展出一整套碳納米管CMOS集成電路和光電器件的無(wú)摻雜制備新技術(shù)，成為下一代信息處理技術(shù)的強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)者，相關(guān)成果13次被寫(xiě)入ITRS，并獲2013年高校自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)、2016年度國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)等。

2020年后的納米電子學(xué)要如何走？碳基CMOS技術(shù)將為其帶來(lái)顛覆性的變化，這也將影響到我國(guó)上萬(wàn)億元的芯片及其上下游相關(guān)產(chǎn)業(yè)。相較歐美各國(guó)的大力投入，我國(guó)的相關(guān)布局無(wú)疑已經(jīng)晚了一步。彭練矛團(tuán)隊(duì)希望能夠盡快啟動(dòng)碳基集成電路的國(guó)家戰(zhàn)略計(jì)劃。讓碳基納米電子產(chǎn)業(yè)在中國(guó)開(kāi)花結(jié)果，這才是他們的終極理想。