碳納米管在后摩爾時代的機遇與挑戰

沈書逸

（中南大學材料科學與工程學院 湖南 長沙 410083）

1 引言

1965年，英特爾(Intel)創始人之一戈登·摩爾(Gordon Moore)經過總結和分析，提出了著名的“摩爾定律”，即在成本不變的基礎上，每隔約18～24個月集成電路芯片上的元器件數目便會翻一番，芯片性能隨之提升1倍。一直以來，這一分析推論準確預測和推動了信息技術進步的速度，但隨著晶體管電路逐漸接近物理極限，這一定律終將走向極限[1]，終將會因為漏電流和高溫被終結[2]。

2 硅基CMOS技術的局限

在多個“摩爾定律”周期的反復迭代后，芯片器件的尺寸越來越小，集成密度越來越高，硅基芯片的局限性也越來越突出。主要表現有：（1）隨著硅芯片工藝邁進10nm以下后，單個晶體管的物理尺寸進入了量子物理與介觀物理的范疇，產生如費米能級釘扎效應、量子隧穿等物理現象[3]，將硅芯片尺寸的設計帶入了極限。（2）當芯片工藝進一步逼近5 nm及其以下后，電子可自行穿越源極和柵極，從而造成“0”“1”邏輯錯誤，產生隧道效應。（3）在晶體管密度增加同時，處理器的功耗密度也在急速提升，2010年的CMOS相比1997年的產品能耗密度增加了10萬倍。功耗的增加帶來了封裝成本上升、可靠性能下降等問題。（4）當集成電路工藝達到20 nm和14 nm時，生產成本快速提升，有悖摩爾定律中集成度提升是在成本不變基礎的前提，使得單純縮小線寬失去了市場價值[4]。

IBM認為，7 nm工藝是一個關鍵技術節點，我們不得不放棄硅作為芯片的基本材料[5]。IBM公司在2015年發布的7 nm芯片所采用的材料便是鍺硅溝道晶體管而不是硅。

3 碳納米管在后摩爾時代的機遇與挑戰

在芯片新材料研究中，碳納米管(carbon nanotubes,CNTs) 徑向尺寸2～20 nm，軸向尺寸為微米量級，屬于一維量子材料，具有極其優異的電學、光學、熱學、磁學以及力學性能，被業界普遍認為是后摩爾時代硅的替代品。

早在2007年，國際半導體技術路線圖委員會在對多項硅基替代候選產品進行實驗、評估，認為碳納米管與石墨烯具有明顯的優越性。在之后的一年里，美國投入數億美元對碳基芯片研究給予了極大支持。2013年，歐盟啟動了“石墨烯旗艦計劃”，以資助石墨烯在信息、通信領域的技術研發。截至2020年5月，我國元芯——碳基集成電路研究院取得了較大成績，解決了長期困擾碳基半導體材料制備中如純度、密度與面積的瓶頸問題。

3.1 碳納米管作為集成電路芯片材料的優勢及劣勢

具有速度快與功耗低的優勢。由于碳納米管管壁僅有一個原子厚，不足硅晶體管的1/100，其電子遷移率可以達到1×106cm2/(V·s)，是硅的100倍左右。從而可快速改變流經它的電流方向，使碳納米管與硅晶體管速度之比達5倍之多，功耗卻只有1/5；產熱較少。碳納米管電阻率為10～6 Ω·cm，熱導率6 000 W/mk，遠遠優于最好的金屬和最優的熱導體，有效減少了用于散熱的能耗；表面的一維運輸，減少了粒子碰撞機率，提升了平均自由程，實現極佳的溝道控制與高線性度，頻率可望達到THz的級別。

雖然碳納米管提純技術不斷進步，但是幾乎所有碳納米管的生長技術都會出現金屬性和半導體性共存現象，混雜有金屬性的納米管破壞了其半導體特性。在摻雜技術中，為了得到電子型碳納米半導體，最常用的方法是摻雜鉀（K）元素，然而由于碳納米管晶格結構嚴謹，要實現可控和穩定摻雜就顯得尤為困難。英特爾也因此宣布放棄了碳納米管作為芯片材料的研究。

另外，當前碳納米管無法嚴格依照設計所要求的方式排列生長，傳統的催化生長技術生產的單壁碳納米管（single-walled carbon nanotube，SWCNT）陣列密度較低，而一個碳納米管只能承載30 μA以下的電流，如何提高SWCNT陣列密度，把多個碳納米管排列起來達到mA級別的漏端電流，是目前制造中的困難。

3.2 碳納米管作為集成電路芯片研究取得的技術突破

為制備高密度高純半導體陣列碳納米管材料，北京大學碳基電子學研究中心通過多次聚合物分散和提純技術得到超高純度碳管溶液，結合維度限制自排列法，可在4英寸基底上制備出密度為120根/μm、半導體純度高達99.99 995%、直徑分布在（1.45±0.23）nm的碳管陣列[6]。同時，采用高功函數金屬Pb作為接觸電極，空穴則無勢壘地進入碳納米管的價帶，半導體呈現為P型；采用低功函數金屬Sc或Y作為接觸電極，電子則無勢壘地進入碳納米管的導帶，半導體呈現為N型。這不僅實現了“無摻雜”制造碳基CMOS，更使得其性能首次超越同時期硅基芯片[7-9]。

3.3 碳納米管作為集成電路芯片尚需攻克的難題

相比高度成熟的硅基CMOS技術，碳納米管尚需要在半導體的提純技術、提升陣列的密度等方面不斷探索更加成熟的技術，確保得到穩定的實驗數據和成品率。硅基CMOS經過多年的應用，形成了從材料制備、加工工藝、芯片設計等完整的產業鏈和技術標準，如果碳納米管集成電路芯片能得以應用，勢必會改變產業鏈中包括加工工具等諸多技術標準和方法，此間需要尋找新的方法與硅基技術接軌。

3.4 碳納米管作為集成電路芯片的應用成果

多年來，碳基半導體的研究不斷取得新的成果。2019年，MIT的Gage Hills等人在Nature發表了“由互補碳納米管晶體管構成的現代微處理器”論文，報告了碳納米管芯片研究所取得的重大進展，他們利用14 000多個碳納米管晶體管制造出一個16位微處理器，他們將這個處理器命名為RV16X-NANO，并在測試中成功執行了一個程序，生成消息：“Hello,World!I am RV16XNano,made from CNTs”。

4 小結

硅基芯片經過半個多世紀的發展，因縮減器件尺度帶來的漏電流、成本指數上升、性能提升有限等問題，成為了后摩爾時代最需迫切解決的問題，碳納米管材料因其獨有的物理與結構，優勢與挑戰共存，是后摩爾時代最有希望的替代材料。

碳納米管作為未來的集成電路材料，從理論到應用需要解決一個個實際問題，不僅涉及材料學，還涉及集成電路設計、芯片加工與制備、系統集成等多個領域，立即替代硅基芯片尚不成熟。欣喜的是，目前已取得了許多突破性的研究和成果，特別是我國以彭練矛教授為代表的科研團隊，以華為、中芯國際為代表的民族企業，不僅在國際上展現了中國的實力，也有望突破解決中國科技發展中被“卡脖子”的難題。