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专访北大碳基芯片团队:我们换道走了20年,觉得能走下去

1947年贝尔实验室演示了世界上第一个基于锗半导体的晶体管,标志着信息时代的开启。1954年,硅晶体管问世,随后成为集成电路技术的主流。60多年后, “摩尔定律”奄奄一息,芯片材料是否要再次“换道”?

“我们在碳基集成电路这条路上走了20年,还没有看到什么令我们觉得走不下去的障碍。” 北京大学信息科学技术学院电子学系主任、中国科学院院士彭练矛近日在北京碳基集成电路研究院接受澎湃新闻专访时说道。手中一片8英寸晶圆上,排满了碳纳米管晶体管。

 

彭练矛(图:DeepTech)

不久前,张志勇-彭练矛课题组刚刚突破了半导体碳纳米管关键的材料瓶颈,使其制备出的器件和电路在真实电子学表现上首次超过了硅基产品。相关成果发表在世界顶级学术期刊《科学》(  Science )上。

彭练矛认为,这是碳基集成电路兑现其理论潜力的第一步。虽然碳基纳米材料在2009年就作为未来技术选项列入国际半导体技术发展路线图(ITRS),美国IBM公司仿真结果认为平面结构碳管阵列晶体管领先硅基五个技术节点,但至此,半导体碳纳米管集成电路才算拿出了比肩传统技术的真实表现,远远领先其它非硅半导体材料,包括所谓的第三代半导体。

“到这一步,我们才可以开始谈论规模产业化了。” 彭练矛说道。该团队的下一个目标,是在2-3年内完成90纳米碳基CMOS先导工艺开发,性能上相当于28纳米硅基器件。虽然不是高端技术节点,但却是可以进入市场的门槛。

 

张志勇与彭练矛介绍成果

集成电路涉及复杂而漫长的生态链,后续的互联、封装、测试并非张志勇-彭练矛团队擅长的环节。

从硅基换道碳基,北大物理电子学研究所教授张志勇表示,想要走通这条新路,早已做好了面对很多“坑”的准备。

事实上,这次取得的突破属于材料领域,也并非该团队的“老本行”。“我们是负责拿着材料设计和制造晶体管的,只是等材料太久没有等到,才自己做了。”张志勇说道。现在拿着自己制备、提纯、排列的材料,他们才终于走到20年以来的一段“舒适区”,预期接下来进展将相对顺利。

突破摩尔定律

尺寸比细胞还小的晶体管是搭建芯片的基础“砖块”,在晶圆上密集排列而成。

目前,电子行业所设计的最主流的逻辑电路是互补性金属氧化物半导体(CMOS)技术,由P型和N型MOS晶体管组合而成。其中,连接源区和漏区,称作“沟道”的一层薄半导体非常重要。

根据“摩尔定律”的著名论述,当价格不变时,集成电路上可容纳的元器件数目约每隔18-24个月便会增加一倍,性能也提升一倍。这个定律准确描述了几十年间人类集成电路技术的发展情况,但随着一些瓶颈问题出现,自14nm节点开始,现实进展就开始慢于摩尔定律。

例如,CMOS 晶体管中接源区和漏区,称作“沟道”的一层薄半导体非常重要。CMOS晶体管一旦缩减到亚10nm技术节点,沟道长度随之变短,就会出现“短沟道效应”,失去部分器件功能。

摩尔定律何时“寿终正寝”,业界尚无定论。但为摩尔定律续命的尝试,就包括使用新结构或新材料来解决短沟道效应等问题,进一步提升器件能量利用率。

碳纳米管的材料瓶颈

彭练矛早年的主攻方向是电子显微学,2000年回到北大后不久,38岁的他开始带领研究团队探究用碳纳米管材料制备集成电路的方法。

所谓碳纳米管,是一种1991年被发现的新型材料,由呈六边形排列的碳原子构成的单层或者多层圆管。在制备高性能晶体管方面,它具有超高的电子和空穴迁移率、原子尺度的厚度以及稳定的结构等优势。

彭练矛透露,事实上在1998年, IBM沃森研究中心和荷兰代尔夫特理工大学就已经合作制成了世上第一个碳管晶体管。不过,囿于材料问题的制约,以及公司投资战略的转变,IBM后期放弃了这方面的研究。

具体而言,要实现大规模高性能集成电路,碳纳米管必须具备超高半导体纯度、顺排、高密度、大面积均匀。

美国杜克大学教授Aaron Franklin2013年在《自然》( Nature )上发表的一篇评述性文章提出了量化的指标,即半导体纯度超过99.9999%(“6个9”)、密度达到100-200每微米。杜克大学目前也是国际上攻关碳纳米管集成电路的主要研究阵地之一。

过去20年里,学术界发展了多种制备、提纯、排列碳纳米管的方法,但是始终无法接近这个实用化区域。这使得碳纳米管晶体管和电路的实际性能远低于理论预期,甚至落后于相同技术节点的硅基技术至少一个量级。

探路20年

最初的七年里,彭练矛团队按照国际上的主流路径,一路“跟车”,磕磕碰碰,终于在2007年形成了基础性的碳管制备技术,在碳基芯片领域正式入场。

在“跟车”的这段时间里,他们始终没有等到碳管材料领域出现重大突破,于是接下去的10年里,课题组放弃传统掺杂工艺,研发了一整套高性能碳纳米管晶体管的无掺杂制备方法,突破碳基N型MOS管制备的难题。

2017年,团队首次制备出栅长5纳米的晶体管,为世界上迄今最小的高性能晶体管,理论上相比当时同尺寸的硅基晶体管具有10倍本征性能功耗综合优势,成果首次登上《科学》杂志。

那么,这种理论上的优势能在集成电路的真实表现上兑现几分?这就是最新这篇《科学》论文讲述的故事。

针对“6个9”的纯度目标,课题组采用多次聚合物分散和提纯(Multiple-Dispersion Sorting Process)技术得到超高纯度碳纳米管溶液,半导体纯度达99.99995%。

这种提纯技术,虽然最早是由美国团队提出的,但课题组在聚合物选择、多次提纯工艺和聚合物分离方面进行了许多改进。

虽然是进军不熟悉的领域,但由于国内集成电路人才相对紧缺,反而材料和化工高手好找,因此,张志勇-彭练矛课题组招募了一个10人左右的团队,在国际上实现超越。

在排列方面,研究团队提出结合维度限制自排列法(Dimension-Limited Self-Alignment),在4寸晶圆上制备出了密度120/微米、直径分布1.45±0.23nm的碳纳米管阵列,理论上达到了超大规模碳纳米管集成电路的需求。

基于此种材料,研究人员批量制备了场效应晶体管和环形振荡器电路,100纳米栅长的碳基晶体管跨导和饱和电流分别达到0.9mS/μm和1.3mA/μm,室温下亚阈值摆幅为90mV/dec;批量制备出了五阶环形振荡器电路,成品率超过了50%,最高振荡频率达到8.06GHz,远超已发表的基于纳米材料的电路,且首次超越相似尺寸的硅基CMOS器件和电路。

 

领先世界的碳芯片技术(图:DeepTech)

碳基芯片的未来

张志勇透露,这次在碳管材料上取得的进展,至少可以在国际上保持两年优势。“现在我们觉得信心有很大的提升,不擅长的事情都可以搞定,擅长的事情肯定没问题。”

在碳基集成电路4英寸试验线现场,技术人员告诉澎湃新闻记者,目前碳基集成电路生产兼容传统的硅基集成电路生产设备,且因碳纳米管的特性,工艺流程上更加简洁。

张志勇表示,论文报告的还是在4英寸晶圆上的成果,实际课题组已可在8英寸晶圆上制备,“这是一种可以量产的技术,且在快速发展。”

团队相信,在未来2-3年实现90纳米碳基CMOS先导工艺开发的过程中,面临的更多是工程性问题,而非原理性问题。

例如,在纯度方面,目前碳纳米管的半导体纯度达到了6个9,但是对于极大规模集成电路应用来说,还需要再提升2-3个数量级。“进一步的提纯会增加工艺步骤,降低产量,而且如何表征这么高的纯度都存在挑战,需要采用工程的方法克服这些挑战。”张志勇说道。

在更远的未来,如果想要兑现实验室里5纳米栅长(对应硅基1.5—2纳米技术节点)碳管晶体管的理论性能,还需要芯片设计设备、生产流程管理等诸多难题。

张志勇相信,在加工技术没有太高成熟度时,碳基芯片可以作为硅基芯片的补充,增强硅基芯片的功能或者性能,或者用于某些特殊场合。例如,碳基集成电路可以实现柔性、透明等新形态芯片,在显示、医疗和健康监控、抗辐射等特殊环境以及近红外成像等领域具有应用前景。

但如果能真正成熟,碳基芯片将有望把集成电路技术推进到3纳米节点以下,而且性能超越硅基芯片10倍以上。
 

1947年,贝尔实验室演示了世界上第一个基于锗半导体的晶体管,标志着信息时代的开启。1954年,硅晶体管问世,随后成为集成电路技术的主流。60多年后, “摩尔定律”奄奄一息,芯片材料是否要再次“换道”?

“我们在碳基集成电路这条路上走了20年,还没有看到什么令我们觉得走不下去的障碍。” 北京大学信息科学技术学院电子学系主任、中国科学院院士彭练矛近日在北京碳基集成电路研究院接受澎湃新闻专访时说道。手中一片8英寸晶圆上,排满了碳纳米管晶体管。

彭练矛(图:DeepTech)

不久前,张志勇-彭练矛课题组刚刚突破了半导体碳纳米管关键的材料瓶颈,使其制备出的器件和电路在真实电子学表现上首次超过了硅基产品。相关成果发表在世界顶级学术期刊《科学》(  Science )上。

彭练矛认为,这是碳基集成电路兑现其理论潜力的第一步。虽然碳基纳米材料在2009年就作为未来技术选项列入国际半导体技术发展路线图(ITRS),美国IBM公司仿真结果认为平面结构碳管阵列晶体管领先硅基五个技术节点,但至此,半导体碳纳米管集成电路才算拿出了比肩传统技术的真实表现,远远领先其它非硅半导体材料,包括所谓的第三代半导体。

“到这一步,我们才可以开始谈论规模产业化了。” 彭练矛说道。该团队的下一个目标,是在2-3年内完成90纳米碳基CMOS先导工艺开发,性能上相当于28纳米硅基器件。虽然不是高端技术节点,但却是可以进入市场的门槛。

张志勇与彭练矛介绍成果

集成电路涉及复杂而漫长的生态链,后续的互联、封装、测试并非张志勇-彭练矛团队擅长的环节。

从硅基换道碳基,北大物理电子学研究所教授张志勇表示,想要走通这条新路,早已做好了面对很多“坑”的准备。

事实上,这次取得的突破属于材料领域,也并非该团队的“老本行”。“我们是负责拿着材料设计和制造晶体管的,只是等材料太久没有等到,才自己做了。”张志勇说道。现在拿着自己制备、提纯、排列的材料,他们才终于走到20年以来的一段“舒适区”,预期接下来进展将相对顺利。

突破摩尔定律

尺寸比细胞还小的晶体管是搭建芯片的基础“砖块”,在晶圆上密集排列而成。

目前,电子行业所设计的最主流的逻辑电路是互补性金属氧化物半导体(CMOS)技术,由P型和N型MOS晶体管组合而成。其中,连接源区和漏区,称作“沟道”的一层薄半导体非常重要。

根据“摩尔定律”的著名论述,当价格不变时,集成电路上可容纳的元器件数目约每隔18-24个月便会增加一倍,性能也提升一倍。这个定律准确描述了几十年间人类集成电路技术的发展情况,但随着一些瓶颈问题出现,自14nm节点开始,现实进展就开始慢于摩尔定律。

例如,CMOS 晶体管中接源区和漏区,称作“沟道”的一层薄半导体非常重要。CMOS晶体管一旦缩减到亚10nm技术节点,沟道长度随之变短,就会出现“短沟道效应”,失去部分器件功能。

摩尔定律何时“寿终正寝”,业界尚无定论。但为摩尔定律续命的尝试,就包括使用新结构或新材料来解决短沟道效应等问题,进一步提升器件能量利用率。

碳纳米管的材料瓶颈

彭练矛早年的主攻方向是电子显微学,2000年回到北大后不久,38岁的他开始带领研究团队探究用碳纳米管材料制备集成电路的方法。

所谓碳纳米管,是一种1991年被发现的新型材料,由呈六边形排列的碳原子构成的单层或者多层圆管。在制备高性能晶体管方面,它具有超高的电子和空穴迁移率、原子尺度的厚度以及稳定的结构等优势。

彭练矛透露,事实上在1998年, IBM沃森研究中心和荷兰代尔夫特理工大学就已经合作制成了世上第一个碳管晶体管。不过,囿于材料问题的制约,以及公司投资战略的转变,IBM后期放弃了这方面的研究。

具体而言,要实现大规模高性能集成电路,碳纳米管必须具备超高半导体纯度、顺排、高密度、大面积均匀。

美国杜克大学教授Aaron Franklin2013年在《自然》( Nature )上发表的一篇评述性文章提出了量化的指标,即半导体纯度超过99.9999%(“6个9”)、密度达到100-200每微米。杜克大学目前也是国际上攻关碳纳米管集成电路的主要研究阵地之一。

过去20年里,学术界发展了多种制备、提纯、排列碳纳米管的方法,但是始终无法接近这个实用化区域。这使得碳纳米管晶体管和电路的实际性能远低于理论预期,甚至落后于相同技术节点的硅基技术至少一个量级。

探路20年

最初的七年里,彭练矛团队按照国际上的主流路径,一路“跟车”,磕磕碰碰,终于在2007年形成了基础性的碳管制备技术,在碳基芯片领域正式入场。

在“跟车”的这段时间里,他们始终没有等到碳管材料领域出现重大突破,于是接下去的10年里,课题组放弃传统掺杂工艺,研发了一整套高性能碳纳米管晶体管的无掺杂制备方法,突破碳基N型MOS管制备的难题。

2017年,团队首次制备出栅长5纳米的晶体管,为世界上迄今最小的高性能晶体管,理论上相比当时同尺寸的硅基晶体管具有10倍本征性能功耗综合优势,成果首次登上《科学》杂志。

那么,这种理论上的优势能在集成电路的真实表现上兑现几分?这就是最新这篇《科学》论文讲述的故事。

针对“6个9”的纯度目标,课题组采用多次聚合物分散和提纯(Multiple-Dispersion Sorting Process)技术得到超高纯度碳纳米管溶液,半导体纯度达99.99995%。

这种提纯技术,虽然最早是由美国团队提出的,但课题组在聚合物选择、多次提纯工艺和聚合物分离方面进行了许多改进。

虽然是进军不熟悉的领域,但由于国内集成电路人才相对紧缺,反而材料和化工高手好找,因此,张志勇-彭练矛课题组招募了一个10人左右的团队,在国际上实现超越。

在排列方面,研究团队提出结合维度限制自排列法(Dimension-Limited Self-Alignment),在4寸晶圆上制备出了密度120/微米、直径分布1.45±0.23nm的碳纳米管阵列,理论上达到了超大规模碳纳米管集成电路的需求。

基于此种材料,研究人员批量制备了场效应晶体管和环形振荡器电路,100纳米栅长的碳基晶体管跨导和饱和电流分别达到0.9mS/μm和1.3mA/μm,室温下亚阈值摆幅为90mV/dec;批量制备出了五阶环形振荡器电路,成品率超过了50%,最高振荡频率达到8.06GHz,远超已发表的基于纳米材料的电路,且首次超越相似尺寸的硅基CMOS器件和电路。

领先世界的碳芯片技术(图:DeepTech)

碳基芯片的未来

张志勇透露,这次在碳管材料上取得的进展,至少可以在国际上保持两年优势。“现在我们觉得信心有很大的提升,不擅长的事情都可以搞定,擅长的事情肯定没问题。”

在碳基集成电路4英寸试验线现场,技术人员告诉澎湃新闻记者,目前碳基集成电路生产兼容传统的硅基集成电路生产设备,且因碳纳米管的特性,工艺流程上更加简洁。

张志勇表示,论文报告的还是在4英寸晶圆上的成果,实际课题组已可在8英寸晶圆上制备,“这是一种可以量产的技术,且在快速发展。”

团队相信,在未来2-3年实现90纳米碳基CMOS先导工艺开发的过程中,面临的更多是工程性问题,而非原理性问题。

例如,在纯度方面,目前碳纳米管的半导体纯度达到了6个9,但是对于极大规模集成电路应用来说,还需要再提升2-3个数量级。“进一步的提纯会增加工艺步骤,降低产量,而且如何表征这么高的纯度都存在挑战,需要采用工程的方法克服这些挑战。”张志勇说道。

在更远的未来,如果想要兑现实验室里5纳米栅长(对应硅基1.5—2纳米技术节点)碳管晶体管的理论性能,还需要芯片设计设备、生产流程管理等诸多难题。

张志勇相信,在加工技术没有太高成熟度时,碳基芯片可以作为硅基芯片的补充,增强硅基芯片的功能或者性能,或者用于某些特殊场合。例如,碳基集成电路可以实现柔性、透明等新形态芯片,在显示、医疗和健康监控、抗辐射等特殊环境以及近红外成像等领域具有应用前景。

但如果能真正成熟,碳基芯片将有望把集成电路技术推进到3纳米节点以下,而且性能超越硅基芯片10倍以上。

信息来源:澎湃新闻 


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