碳纳米管凭借其优良的电学性质、准一维尺寸以及稳定的结构成为后摩尔时代最理想的半导体材料. 目前碳基电子学已经取得很大进展, 例如可以在4寸晶圆上得到高半导体纯度(超过99.9999%)的密排(100~200 CNTs/μm)阵列碳纳米管, 晶体管栅长可以缩至5 nm且具备超越硅基的性能, 世界首个碳基现代微处理器RV16X-NANO已经问世. 北京大学张志勇教授等综述了近年来碳纳米管在材料、器件和集成电路方面的发展, 以及未来可能在光电、传感、显示和射频等领域的应用前景. 最后, 文章列举了碳基CMOS集成电路推向产业化的过程中面临的一系列挑战, 并对碳基技术发展路线做了进一步展望.
半个多世纪以来, 硅基集成电路的发展带来整个人类社会信息技术的巨大变革, 而以硅基互补性金属氧化物半导体(Complementary metal oxide semiconductor, CMOS)技术为核心的集成电路也一直按照摩尔定律每隔18个月集成度翻倍且成本降低一半发展. 但是随着技术节点的不断缩减, 硅基集成电路已渐近物理和工程的极限. 为了延续摩尔定律, 推动集成电路的持续发展, 人们开始寻求新的材料作为突破口, 其中碳纳米管(Carbon nanotube, CNT)被列为考虑的方案之一.
单壁碳纳米管可以看成是单层石墨烯沿某一个方向卷曲而形成的圆柱形的准一维晶体, 根据卷曲方向的不同, 碳纳米管有不同的手性, 对应不同的晶体结构和能带, 不同直径的单壁碳纳米管可以嵌套成为多壁碳纳米管(以下未经说明默认为单壁碳纳米管).
碳纳米管是准一维结构, 并且碳原子之间的sp2杂化决定了其具有化学性质稳定、机械强度高以及热稳定性好等优势, 是探索一维电子输运的理想材料. 自1991年碳纳米管被发现以来, 便成为最具潜力的构筑未来电子学的材料, 不仅仅是由于它的纳米尺寸天然适合制备纳米器件, 更重要的是具备电子学方面的优势. 碳基信息电子器件主要的科学技术优势包括:
(1) 高能效(即高性能与低功耗)优势.碳纳米管载流子迁移率高、平均自由程长、本征电容小, 因此在晶体管层面, 碳基器件的性能功耗综合优势为传统晶体管的5倍(实验结果), 如果上升到集成电路层面, 碳基集成电路的性能功耗综合优势可达传统电路的50倍(理论仿真结果).
(2) 对恶劣环境耐受能力强. 碳基器件具有优良的抗辐照性, 采用辐照加强技术的碳基器件抗辐照总剂量可达9 Mrad, 是传统SOI辐照加强芯片的30倍(300 krad); 抗单粒子辐照反转能力是传统芯片的20倍; 碳基芯片工作温度宽, 可在零下273℃低温到130℃高温环境中工作.
(3) 器件的形态和功能丰富. 由于碳纳米管材料具有优良的机械柔性、高透光性和基底兼容性, 碳基技术可以实现柔性、透明、瞬态(可消失)等特种芯片, 也可以实现传感、存储和逻辑、模拟电路等多种功能器件, 满足不同应用功能和场景的需求.
(4) 易于三维异构集成. 碳基器件加工温度低、工作功耗低, 易于克服三维集成电路面临的主要挑战——热预算需求, 因此更易实现三维异构集成. 理论仿真结果表明, 采用三维集成的碳基集成电路较传统集成电路具有1000倍的性能功耗综合优势. 而且, 碳基材料可以实现多种功能器件,有利于实现感存算一体芯片或者三维单片集成芯片.
(5) 工艺流程短、成本低. 碳基晶体管通过控制载流子的注入来实现开启与关断, 无需掺杂过程, 而且在微缩过程中对短沟道效应有很好的免疫, 采用简单的平面器件工艺即可实现亚5纳米晶体管. 相比于传统硅基工艺, 工序流程可缩短一半; 碳基技术具有良好的工艺兼容性, 沿用现有的硅基集成电路加工装备, 采用落后主流技术3代的硅基加工技术,可制备出同等性能和集成度的碳基芯片.
北京大学张志勇教授综述了近年来碳纳米管在材料、器件和集成电路方面的发展, 以及未来可能在光电、传感、显示和射频等领域的应用前景. 最后, 文章列举了碳基CMOS集成电路推向产业化的过程中面临的一系列挑战, 并对碳基技术发展路线做了进一步展望.
图1 碳基CMOS集成电路技术: 发展现状与未来挑战
该文近期收录于《中国科学：化学》中国科学院学部前沿论坛——“高端电子电镀电子制造专题”，点击下方链接或“阅读原文”可读全文：
刘晨晨, 张志勇*. 碳基CMOS集成电路技术: 发展现状与未来挑战. 中国科学:化学, 2021, doi:10.1360/SSC-2021-0075
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