迎戰(zhàn)“碳基”時代

劉婉茹

從信息化到智能化，集成電路芯片的地位堪稱“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)走進了14納米的技術(shù)節(jié)點。但在后摩爾階段，其優(yōu)勢究竟能保持多久？IBM等企業(yè)認為，硅基芯片即將走向終點，微電子工業(yè)也將在7納米技術(shù)節(jié)點時不得不放棄使用硅基材料。替代者是誰？碳基納米材料——特別是碳納米管和石墨烯，被公認為最佳潛力股。

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%，相當于15代硅基技術(shù)的改善。2020年之前，5倍于當前硅基芯片速度的碳基芯片甚至也將成型。

可以說，與最初由于接觸不良，性能遠不及硅基器件的碳納米管晶體管相比，經(jīng)過了近20年的發(fā)展，碳基技術(shù)的出色令世界刮目相看。在碳納米管電學接觸上，北京大學彭練矛團隊發(fā)現(xiàn)金屬鈧或釔可以和碳納米管的導帶形成理想歐姆接觸，在此基礎上首次制備出性能達到理想彈道極限的n型碳納米管晶體管，被際半導體技術(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驗工作，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、美國等研究組用于構(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面臨的又一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)。早期研究中，為了使空穴型碳納米管轉(zhuǎn)化為電子型半導體，最常見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，碳納米管完美的晶格結(jié)構(gòu)為可控摻雜帶來了極大困難。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，彭練矛團隊提出了“無摻雜”新理念：通過控制電極材料來達到選擇性地向碳管注入電子或空穴，實現(xiàn)晶體管極性的控制。2008年，他們在實驗室首次實現(xiàn)了碳管無摻雜高性能完美對稱的CMOS電路的制備，在同一根碳納米管上實現(xiàn)了性能對稱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計并實現(xiàn)了納米運算器所需的全部電路，將電路的驅(qū)動電壓降至0.4V的水平。《自然》雜志認為，這種低功耗技術(shù)是追求基于碳納米管晶體管計算技術(shù)的最重要的推動力之一。

2011年度中國科學十大進展中，“實現(xiàn)碳納米管的高效光伏倍增效應”上榜。這也是由彭練矛團隊完成的。他們在實現(xiàn)首個碳管發(fā)光和光電二極管基礎上，發(fā)明了碳管級聯(lián)光電池技術(shù)，在一根10微米長的碳管上實現(xiàn)了光電壓的5倍增，獲得了超過1V的光電壓，進一步表明，在碳管上無需摻雜，僅需通過選擇電極組合即可實現(xiàn)完美的電子和光電子器件集成。

經(jīng)過十幾年的努力，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摻雜制備新技術(shù)，成為下一代信息處理技術(shù)的強有力的競爭者，相關(guān)成果13次被寫入ITRS，并獲2013年高校自然科學獎一等獎、2016年度國家自然科學獎二等獎等。

2020年后的納米電子學要如何走？碳基CMOS技術(shù)將為其帶來顛覆性的變化，這也將影響到我國上萬億元的芯片及其上下游相關(guān)產(chǎn)業(yè)。相較歐美各國的大力投入，我國的相關(guān)布局無疑已經(jīng)晚了一步。彭練矛團隊希望能夠盡快啟動碳基集成電路的國家戰(zhàn)略計劃。讓碳基納米電子產(chǎn)業(yè)在中國開花結(jié)果，這才是他們的終極理想。