本文摘要：摘要近六十年來,以硅為核心材料的半導體技術,特別是CMOS集成電路技術推動了人類信息社會的深刻變革,但也逐漸接近其物理極限和工程極限,全球半導體產業已經進入后摩爾時代.半導體性碳納米管具有高遷移率、超薄體等諸多優異的電學特性,因此成為后摩爾時代新型半導體材料
摘要近六十年來,以硅為核心材料的半導體技術,特別是CMOS集成電路技術推動了人類信息社會的深刻變革,但也逐漸接近其物理極限和工程極限,全球半導體產業已經進入后摩爾時代.半導體性碳納米管具有高遷移率、超薄體等諸多優異的電學特性,因此成為后摩爾時代新型半導體材料的有力候選.基于碳納米管的碳基電子技術歷經二十余年發展,在材料制備、器件物理和晶體管制備等基礎性問題中也已經取得了根本性突破,其產業化進程從原理上看已經沒有不可逾越的障礙.因此,本文將著重介紹碳基電子技術在后摩爾時代的本征優勢,綜述碳基電子技術的基礎性問題、進展和下一步的優化方向,及其在數字集成電路、射頻電子、傳感器、三維集成和特種芯片等領域的應用前景.最后,本文還將分析碳基電子技術產業化進程中的綜合性挑戰,并對其未來發展做出預測和展望.
關鍵詞：碳納米管,碳基電子技術,CMOS晶體管,集成電路
1引言：碳基電子技術的發展背景與歷史機遇
20世紀40年代末,巴丁(Bardeen)、布拉頓(Brattain)和肖克利(Shockley)經過長時間的研究后發明了點接觸型和結型晶體管,開啟了半導體技術的研究浪潮;20世紀50年代末,基爾比(Kilby)和諾伊斯(Noyce)分別獨立設計并制作了最早的集成電路,芯片技術的雛形得以問世;1960年左右,貝爾實驗室和仙童半導體公司先后發明了硅基場效應晶體管(Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect-Transistor,MOSFET)和互補型金屬氧化物半導體技術(ComplementaryMetalOxideSemiconductor,CMOS),MOSFET和CMOS隨后成為了集成電路的基礎單元并被使用至今.
至此,歷經二十余年的早期探索,以集成電路為核心的硅基半導體技術才終于步入正軌并開始高速發展.依循摩爾定律和Dennard微縮定律這兩個半導體技術的商業規律和技術理論,硅基集成電路的集成度和性能每隔18~24個月就翻一番,五十余年來不斷推動著人類信息技術的蓬勃發展與深刻變革.
然而從2000年起,硅基晶體管的微縮難度不斷增大,人們雖然引入了各種復雜的技術解決方案如應變硅(StrainedSi)技術、高k金屬柵(high-kmetalgate)技術、鰭式晶體管技術(FinFET)和深紫外(DUV)乃至極紫外(EUV)光刻技術等等.但硅基晶體管的微縮速度卻在持續降低、微縮收益也在逐漸收窄,硅基集成電路更是遇到了工藝上的瓶頸(頻率瓶頸或功耗墻問題)和架構上的瓶頸(馮諾依曼架構的內存墻問題).
隨著先進技術節點的艱難推進,硅基晶體管和集成電路也逐漸接近其物理極限和工程極限,全球半導體產業步入后摩爾時代[1,2].在后摩爾時代,雖然信息技術的基石—半導體產業面臨著巨大的技術挑戰和工程困難,但人類社會對數據計算能力和存儲能力的需求卻與日俱增.因此,半導體學界和業界在艱難發展硅基技術的同時,也越來越頻繁地將其目光和精力放到新材料和新器件的探索中來,以求從根本上延續和拓展摩爾定律.在眾多新型半導體材料中,碳納米管(Carbon-Nanotube,碳管或CNT)由于其獨特的準一維結構和優異的電學性質而受到了人們的高度重視.
國際半導體路線圖委員會(ITRS)早在2009年就推薦碳納米管作為延續摩爾定律的未來集成電路材料選擇[2,3];美國國防部先進研究計劃局(DARPA)在2018年啟動的“電子復興計劃”(ERI)中,投入高達15億美元的經費,希望從系統架構、電路設計和底層器件三個方面探索未來的集成電路技術,其中最大的項目就是支持相關學術團隊和芯片制造企業開展碳納米管集成電路技術的研究和產業化[4];國際商業機器公司(IBM)和臺積電(TSMC)等企業的半導體研發團隊近年來也在持續跟進碳納米管電子技術[5,6].
對碳納米管這一新型半導體材料的廣泛關注和看好根源于其電子學應用上的材料器件本征優勢,因而催生了一系列對材料、器件物理、加工工藝乃至集成技術的深入研究.自從1991年碳納米管被發現以來[7],人們就對這種天然的納米尺度準一維導體充滿了興趣,并深入系統研究了其材料特點.首先,碳納米管可分為單壁碳納米管和多壁碳納米管,多壁碳管可視作由單壁碳管嵌套而成,由于單壁碳管與多壁碳管相比缺陷較少、結構簡單、可控性好,而且半導體性比例高,因此碳基電子技術主要基于單壁碳管發展,下文所述碳納米管一詞也均默認為單壁碳納米管.
其次,碳納米管可以看作由二維的單層石墨烯沿特定方向卷曲而成的空心圓柱狀準一維晶體,其卷曲方向決定碳管的手性從而決定其晶格和能帶結構,其表面碳原子間的成鍵方式為sp2雜化.根據手性不同,碳納米管還可分為半導體性和金屬性的,這種電子性質的多樣性使碳納米管具有廣泛的應用前景,包括晶體管、互聯和傳感等等,下文主要討論半導體性碳納米管.從碳納米管的基本特性出發,人們歸納了其主要的電子學材料優勢：
(1)碳納米管的準一維結構大幅減小了其載流子的散射相位空間,因此具有較低的散射概率、較高的載流子遷移率和較長的平均自由程,是理想的低損耗甚至無損耗溝道材料;(2)碳納米管的sp2雜化碳原子表面沒有懸掛鍵,因此表面散射較弱,理論上可以兼容各種高k柵介質材料;(3)常見的碳納米管直徑僅為1~2nm,與體型半導體材料相比更容易受柵極調控,因此對短溝道效應的免疫能力較強;(4)碳納米管的導帶與價帶在低能態下高度對稱,電子與空穴具有相同的有效質量和遷移率,因此尤其適合用來制作CMOS集成電路.這些優勢的具體表現將在下文深入討論.
經過大量的早期探索,代爾夫特理工大學的Dekker等人和IBM的Martel等人終于在1998年分別獨立制造出了第一個碳納米管場效應晶體管(CNTFET)[8,9].然而,最早的碳管器件性能尤其是開態電流遠遜于同時期的硅基晶體管,這是因為碳納米管場效應晶體管本質上是一種肖特基場效應晶體管,當溝道長度小于其平均自由程時(即準彈道甚至彈道輸運),源漏電流主要受碳管和接觸電極之間的肖特基勢壘決定.
而Dekker等人制造的碳管晶體管使用Pt或Au作為電極,接觸勢壘較大[8,9].因此,2003年AliJavey和DaiHongjie等人經過大量嘗試,發現可通過使用高功函數的金屬鈀(Pd)作為碳納米管的電極來得到無勢壘P型歐姆接觸的彈道晶體管,其室溫下開態電導接近量子電導的理論極限,首次展現了碳納米管晶體管的高性能優勢[10].2007年,北京大學團隊實現了以低功函數的金屬鈧(Sc)作為碳納米管電極的N型歐姆接觸彈道晶體管,其性能達到了P型碳納米管晶體管的最好水準[11].這兩個工作展示了碳納米管在場效應晶體管和CMOS集成電路應用上的巨大性能潛力,自此以后碳納米管電子學領域的主要研究工作也都集中在這兩方面.
經過這些原始探索后,以碳納米管場效應晶體管和CMOS技術為核心的碳基電子技術終于開始迅速發展,在材料、器件結構、加工工藝和系統集成方面不斷突破,并在數字電路、射頻電子、傳感探測、三維集成和特種芯片等電子學應用中充分展現了其優勢與特色.碳基電子技術正如硅基半導體技術一樣,已經完成了豐富的早期探索、進行了系統的技術積淀、得到了大量的資助支持,成為了后摩爾時代的重要技術方向,甚至在逐步走向實用化和產業化.有鑒于此,本文將介紹碳基電子技術在后摩爾時代的本征優勢,重點討論碳基電子技術的基礎性問題與進展,梳理碳基電子技術的應用場景與發展方向,最后分析碳基電子技術產業化進程中的綜合性挑戰,并展望碳基電子技術的未來前途.
2碳基電子技術在后摩爾時代的本征優勢
作為現代信息技術的硬件基礎,集成電路自二十世紀六十年代發展至今,已然成為了一個極其成熟又極其復雜的高技術產業.對于集成電路產業發展的著名預測—摩爾定律,也因面臨芯片成本急劇上升的經濟學阻礙和微納加工原子極限的物理學阻礙而開始逐漸失效,集成電路產業進入了后摩爾時代.后摩爾時代電子技術的核心需求主要分成三個方向：即moreMoore、morethanMoore和beyondMoore或beyondCMOS.
在moreMoore方面,集成電路領域雖然有器件結構、溝道材料、互聯導線、高k金屬柵、工藝設備等多個研究方向,但業界的核心需求仍是CMOS器件的性能提高、功耗下降,并對晶體管和電路進行尺寸縮減.近20年來,人們為了獲得更高的器件能效,設計了各式各樣的晶體管結構,如鰭式晶體管(FinFET)、全耗盡型絕緣層上硅晶體管(FD-SOIFET)、GAA結構的硅納米片晶體管(SiNanosheetFETorMBCFET)和硅納米線晶體管(SiNanotubeFET)、二維材料晶體管(2DFET),以及本文所討論的碳納米管晶體管.
在晶體管層面,一種溝道材料是否具有應用潛力、是否值得研究,首先需要考慮其在高性能和低功耗方面是否存在材料本征優勢.而相關理論、仿真和實驗研究表明,碳納米管具有較高的性能潛力,反映為其載流子的平均自由程較長(不同散射機制對應數十納米到微米量級)、低場遷移率較高(1×105cm2/(Vs))、強場飽和速度是硅的四倍(4×107cm/s)、彈道注入速度超過硅的三倍(3×107~4×107cm/s)[14-16].這些特點有利于提高器件性能和電路速度,最新實驗結果表明120nm柵長的碳納米管晶體管電流密度在1V工作電壓下可達1.18mA/μm、環振電路門延時可低至11.3ps[17],該結果超過了同尺寸的硅基器件性能,充分展示了碳納米管的高性能潛力.其次,碳納米管作為直徑1nm左右的準一維超薄體,其本征量子電容較小,容易被柵極調控,因此其載流子屏蔽自然長度較小,有利于抑制晶體管的短溝道效應.綜合來看,碳納米管相比于體型半導體更易于降低器件的工作電壓和能耗：
實驗研究表明碳納米管晶體管的工作電壓甚至可降低到0.6V以下[18],動態功耗隨之大幅降低;又由于碳納米管的開態性能較高,在降低工作電壓時,不需要降低閾值電壓來彌補性能,理論上能有效抑制關態泄漏電流,降低靜態功耗.以上特點使碳納米管晶體管尤其符合現今集成電路產業功耗驅動的制程進化趨勢(Power-DrivenTechnologyTransition).綜上,碳納米管晶體管理論上是一種兼顧高性能低功耗特性的器件,實驗和計算結果表明其與傳統晶體管相比具有5到10倍的綜合能效優勢,這種能效優勢甚至能在亞10nm的實際物理柵長器件中得以保持[19].可以說,碳納米管晶體管完全具備延續摩爾定律所要求的材料器件本征優勢以及微縮潛力,是后摩爾時代moreMoore方向的重要技術路線.
3碳基電子技術的基礎性問題與進展
碳納米管作為直徑只有1~2nm的準一維半導體,其獨特的低維特性決定了其材料特性和器件物理都與傳統半導體有所不同.本章將圍繞著碳納米管的材料制備,和碳納米管晶體管的金半接觸、柵極工程、雙極性抑制技術,以及碳納米管器件的集成工藝進行討論,重點分析其中的基礎性問題和技術挑戰,最后回顧近年來碳納米管晶體管的尺寸縮減和綜合性能提升.
歷經20余年發展,碳納米管已然成為后摩爾時代中最具潛力、最受關注的新型半導體材料,碳基電子技術也顯現出了其延續、擴展乃至超越摩爾定律的突出技術價值.在諸多碳基電子技術的基礎性問題中,學界已經取得了根本性突破,如理想碳納米管陣列材料的成功制備、無摻雜CMOS技術的發明等等.基于這些材料上和器件工藝上的進步,碳基電子技術還在多個應用領域中展示了其優勢與特色,如高性能低功耗的碳基數字電路、高速碳基射頻器件、超靈敏碳基傳感平臺和高能效多功能的碳基三維集成系統等等.
這些進展說明：碳基電子技術的產業化從原理上看已經沒有不可逾越的阻礙,從技術上看有著充分的商業價值.當然,想要真正將碳基電子技術從學術界引入產業界和商業界,還需要對材料、器件結構和集成工藝做進一步優化,如提高金半接觸穩定性、降低接觸電阻及柵介質界面態、抑制器件雙極性等等.綜合來看,碳基電子技術的原理性優勢凸顯、工程性挑戰與產業化挑戰并存,需要加強產學研合作并借鑒成熟的硅基半導體經驗,從而發展其標準化的材料制備、器件加工、電路設計和表征測試平臺.
在目前全球芯片行業商業熱情高漲但硅基技術發展卻進入瓶頸期的大背景下,碳基電子技術為半導體領域提供了一個應對后摩爾時代挑戰的可行技術方案,更是為我國提供了一次“換道超車”的機遇.結合碳基電子技術目前的發展態勢,其很有可能在短期內實現碳基傳感技術等高性能、中集成度的應用,在中長期實現碳基射頻電子、特種芯片等高性能高集成度的應用,在完成足夠的技術積淀以及產業迭代后實現技術復雜度最高、商業價值最大的超大規模碳基數字集成電路.
參考文獻：
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[3]SemiconductorIndustryAssociation[2022-1-5]
作者：劉一凡1)張志勇1)†
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