碳集成电路的技术与前景

碳集成电路的技术与前景摘要：1.传统硅集成电路所遇到的发展瓶颈2.碳集成电路的技术基础3.碳集成电路研究的前沿动态4.碳纳米材料在电子学实际应用所遇到的困难5.以碳为主要半导体材料的新电子学在未来的发展前景关键词：摩尔定律，量子瓶颈，碳纳米材料，碳集成电路。引言：由摩尔定律所描述的现代电子学技术与工艺的发展遇到了可能是有史以来最大的挑战——单位面积集成规模的继续增大与微观尺度下量子不确定性的影响相互作用导致了计算速度提升的极大困难。电子学需要一种革命性的改变，而碳纳米管、石墨烯等以碳为基础的材料制作工艺的提高为产业与技术研究的革命提供了明确和可行的方向。本文便主要讨论碳基集成电路的技术与前景。碳集成电路的技术与前景我们从传统的以硅为主要半导体材料芯片的制造工艺讲起。右下图是1995年至今(包括5年预测)硅集成电路制造工艺的发展。不难看出，32nm工艺之上的发展图线很好的契合了摩尔定律的叙述，但是有一个严峻的问题不容忽视：随着制造工艺的提高，量子理论中不确定性对计算稳定度乃至集成电路原理的正确性提出了非常大的挑战。《Nature》杂志早在2005年7月便提出“硅发展的严重问题”。目前市场主流的处理器芯片的制作工艺多为32nm，但据资料显示，无论是在提高集成度还是寻求更好的掺杂方案上，各芯片生产厂商都遇到了前所未有的难题——继续提高集成度成本过高，其他掺杂方案技术原理不成熟，实现工业化生产困难。这些现象的出现与硅作为半导体材料的缺陷关系紧密。硅，作为半导体材料有着空穴迁移率不够高这一缺陷。我们看到，碳族元素中，硅的电子流动性(ElectronMobility)与空穴流动性(HoleMobility)都远远低于同族其他元素(分别是锗的二分之一与四分之一)。此两种性质的不足直接导致了计算速度的受限制。同时，硅的频带间隙(Bandgap)也普遍大于其他半导体材料。在对计算速度要求更加苛刻的未来世界，硅的固有性质必然无法满足实际生产的需求。这种情况下，寻找物理性质更好的，同时又易于工业化生产的“新”半导体材料尤为重要。而碳，作为与硅同族的易于获得的材料，其开发前景不容忽视。虽然碳在宏观角度并不属于狭义的半导体材料范畴(元素周期表金属与非金属元素分界线上下元素构成的物质被称为狭义的半导体)，但当碳材料作用的尺度减小至纳米量级时，其优秀的半导体性质才被人们发现。首先，碳材料有着硅半导体材料难以比拟的电子迁移率与空穴迁移率，同时，在高频响应方面，几乎没有任何半导体材料能和纳米级的碳材料相媲美(碳纳米管的RC震荡响应频率高达6.3THz，)。以碳纳米管(如右图)为例，碳纳米管作为一维纳米材料，重量轻，同时由于碳纳米管上的碳原子p电子层形成了大范围的“离域π键”，使得它具有良好的电子传导性能。这样，碳纳米管可以作为纳米尺度的导线，从而在超大规模的高集成度集成电路优化与工艺提升上做出突出的贡献。同时碳纳米管的收束性质很好的避免了量子不确定性效应对电路稳定性与可靠度的影响。同样重要的还有，类似这种碳纳米管的材料的造价较之同性能的硅材料要大幅度低下。这样的情形使得许多硅半导体材料方面的研究反而不如碳纳米材料的研究成效显著。正是由于这样的种种优势与特性，纳米级的碳材料的研究工作也被各大实验室重视。2008年ERD/ERM工作小组在详细考察了所有可能的技术后向IRC推荐了唯一的选择：碳基纳米电子学。2009年，路线图委员会（IRC）支持ERD/ERM工作小组选择碳基纳米电子学作为需要重点关注和投资的技术，用以加速半导体电子产业的发展。2010年诺贝尔物理学奖也颁发给从事“石墨烯”研究的两位科学家。美国纳米研究国家计划(NNI)在2011年更是拨款高达1亿美金支持碳纳米材料的研发与实验。Intel公司的研发部门也在对外的材料中宣称：“碳纳米管、纳米线是可能的出路”目前各实验室与公司对碳纳米材料的主要研究成果集中在碳纳米材料的集成方面。首先，平行超长SWCNT阵列的控制生长技术的实现，使得密度可控的高质量平行超长的单壁碳纳米管阵列，目前长度可达毫米量级。这是碳纳米材料集成的关键技术。其次，n型晶体管的研制成功，使得集成电路无论在速度抑或功耗上都有了显著进步。n型晶体管无需掺杂，适合集成，且正向几乎超导，是理想的集成电路制造材料。碳材料制成的CMOS，较之硅材料的同类元件，响应速度在5倍以上，而有着几十倍的功耗优势。只需将现有的器件优势转化为集成电路优势，碳集成电路便可以高速发展。目前制成的碳纳米管通过改变载流子向纳米管的注入方式来实现电子型（注入电子）和空穴型（注入空穴）场效应晶体管。实现了无需掺杂的优势。同时实现的碳纳米管的弹道CMOS集成技术，只需交替在碳纳米管上镀电极和沉积氧化物。目前碳集成电路的短期研究目标是制造一个基于碳纳米管的全加法器(如右图)。这种器件的制造成功，将标志着以碳为基础的计算在技术实现上的最大困难的解决。而目前碳集成电路研究的理想便是制造低成本、高性能、低功耗的碳基纳米集成电路，碳基电子/光电子集成系统。但是，目前碳纳米器件的制造与研究还面临着诸多困难。器件的非均匀性便是首要的困难，它会造成诸多棘手的问题。首先是加工精度的问题：对于32纳米技术节点(通道长度20纳米)的器件相对误差可能高达20-50%。这在非常大的程度上制约了碳集成电路规模和集成度的发展。其次，杂质浓度的涨落也影响了集成电路的制作。杂质数目可能小到几十到100，统计涨落可能高达几十%以上。杂质原子在电流下可能发生移动，对器件性能产生不可预料的影响。这种影响在对计算精度要求要求极高的处理器芯片上是致命的。再次，即使碳纳米管的电阻效应已经微乎其微，但工作时产生的热还是会导致器件稳定性与安全性的大幅度降低。但是碳集成电路的前景是十分诱人的，假设碳纳米管间距为100纳米，电极宽度30纳米，沟道间距30纳米，一个晶体管尺寸约100平方纳米(我们有信心在不远的将来达成这一设想)。那么在一根1厘米长的碳纳米管上可集成105个晶体管，即实现超大规模集成电路。则在1平方厘米的面积上可以集成1010个晶体管，即10亿个晶体管，这是目前的电路集成水平，而面积较之硅集成电路小了四分之一左右。同时，碳半导体材料可以实现三维集成，碳纳米器件受温度的影响又比硅集成电路小，这样可以实现上千亿的集成度。信息技术的几次重大革命都是由物理学家推动的：晶体管、激光器、万维网等的发明……而碳纳米技术的发展必将影响乃至推动未来的电子学革命。可以预言：硅的统治即将结束，新概念的电子学将蓬勃发展。参考文献：1.《计算机百科全书》2.《Science》20February2009VOL3233.《Nature》7July2005