近日,台大、台积电与麻省理工三方联手发现了半金属铋(Bi)与二维材料的组合将有助于实现1nm以下的制程,让材料的威力再一次显露无疑。

 

纵观近年来半导体领域的研究重点,新材料是无可争辩的第一。有人做出统计,在2010-2020年全球近17万篇半导体相关论文中,占比最多之研究领域为材料科学(62,872篇论文,占比37.23%)及应用物理(60,782篇,占比35.99%)。

 

实际上,寻找硅材料替代者的工作就一直没有间断过。在上世纪90年代,凭借更高的电子迁移率,砷化镓(GaAs)一度被认为是硅材料最有力的接替者。但因制造工艺始终无法突破,砷化镓终究还是没能接过重任。

 

进入新世纪之后,材料学的发展突飞猛进,硅材料接替者的名单上增加了很多名字。其中,希望最大就是碳基半导体材料。

 

碳基半导体是一种在碳基纳米材料的基础上发展出的,以碳纳米管,碳纳米纤维,纳米碳球、石墨烯等为主的材料,主要利用碳纳米管、富勒烯、石墨烯等特殊结构实现晶体管功能。

 

在碳基半导体材料中,首推碳纳米管(Carbon Nanotube ,缩写为 CNT),这是一种直径仅为 1 纳米,或十亿分之一米的管状纳米级石墨晶体。

 

根据IBM研究,10nm技术节点后碳纳米管芯片在性能和功耗方面都将比硅芯片有明显改善。从硅基7nm到5nm技术,芯片速度大约提升20%,而相比硅基7nm技术,碳纳米管基7nm技术的芯片速度将提升300%。

 

来自北大彭练矛团队的研究结果也有类似的结果,在14nm技术节点碳纳米管晶体管的速度和功耗均较硅基器件有10倍以上的优势,进入10nm技术节点后这种优势还将继续加大。

 

稍显尴尬的是,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。

 

不过,突破也就在悄然间发生了。2019年,麻省理工学院马克斯·舒拉克团队开发出全球首款碳纳米管通用计算芯片RV16X-NANO。该微处理器芯片基于RISC-V指令集,在16位数据和地址上运行标准32位指令,所具有的晶体管数量超过1.4万个,并采用行业标准流程和工艺进行设计和制造,可执行指令获取、解码、寄存器、执行单元和写回存储器等功能。

 

并且,舒拉克还在DARPA电子复兴倡议(ERI)峰会上,展示了碳纳米管+RRAM通过ILV技术堆叠的3DIC晶圆,标志着碳纳米管走向商业化和大规模应用已提上了议程。

 

另外一种非常具有潜力的材料就是石墨烯。石墨烯纳米带的二维晶格结构具有高导电率、高导热率和低噪声,因为是一种非常理想的集成电路材料。

 

2008年IBM公司的Watson研究中心在世界上率先制成低噪声石墨烯晶体管。通过重叠2层石墨烯,在层间生成了强电子结合,IBM成功控制了纳米材料特有的1/f噪音。并且,IBM公司的Ming-YuLin的发现证明,2层石墨烯有望应用于各种各样的领域。

 

相比于硅晶体管,石墨烯晶体管优势在于其晶体管晶格高度稳定,即使在单碳原子厚度下还能稳定工作,而硅材料晶体管在10nm以下便会失去稳定性。美国IBM公司研究人员曾对石墨烯晶体管进行模拟仿真实验。实验结果表明,当石墨烯晶体管的栅极尺寸为150nm时,频率可高达26GHz,而当这一尺寸缩小为50nm时,其频率将突破1THz,这一数据远高于现有的硅基晶体管。不过,晶体管制备上,石墨烯晶体管性能仍逊于碳纳米管晶体管。

 

除了碳基材料之外,多种多样的化合物半导体材料也展示了强大的潜能。比如,奥地利维也纳技术大学与欧盟石墨烯旗舰项目的科研人员就制造出一种由二硫化钼(MoS2) 组成的晶体管,并用115个这样的晶体管构成了一种新型柔性微处理器。诸如此类的报道还可以见到很多,足以说明化合物半导体的热度之高。

 

还要提到的是,在全世界大热的第三代半导体材料(GaN和SiC),虽然不能用在主流工艺上,但是也将在其他领域取代硅,因此也是一种替代者。

 

国家竞赛与商业化

 

 

材料的研究,一向被视为国家实力的象征。

 

美国作为经济技术发展强国,其材料领域全面发展、领跑国际。自奥巴马政府以来,美国在国家层面上对新材料产业的发展提出多项计划,包括材料基因组计划、先进制造业国家战略计划、国家纳米计划及国家制造业创新网络计划,涉及纳米材料、先进材料及碳纤维复合材料等多个领域,强有力的政策支持及资本年投入,加之美国积累多年的材料产业巨头、国际顶尖科研机构等优势条件,使美国在新材料产业技术上全面发展,掌握众多核心技术。

 

得益于强大的材料科技基础,日本在全球高技术领域有着举足轻重的地位,特别是在电子信息材料、纳米材料、半导体材料、碳纤维复合材料、特种钢等领域。同样,韩国作为新材料产业技术的新晋优秀成员实力不容小觑。秉承“先驱者而非追随者”的理念,韩国依托强大的科研团队及诸如三星、LG等制造业巨头,在显示材料、存储材料、石墨烯材料等领域保持着优势地位。

 

在碳基半导体材料的研究上,美欧从2010年前后就投入了很多研发力量和资金支持。2009年,国际半导体技术发展路线图委员会将碳基纳米材料列入延续摩尔定律的未来集成电路技术选项。美国国家科学基金会2008年专门启动了“超越摩尔定律的科学与工程”项目,用以资助硅技术可能替代者的研究,其中碳基纳米电子学研究被视为重中之重。此外,已执行了十余年的美国国家纳米技术计划,除了通过常规途径继续对碳纳米材料和器件给予重点支持,还于2011年设立了“2020年后的纳米电子学”研究专项,每年专项资金高达上亿美元。欧盟同样对碳基纳电子技术进行了重点支持,其于2013年启动“石墨烯旗舰计划”,用以资助石墨烯及相关二维材料的研究,期望以此推动信息领域、通信领域的技术革命。

 

与之相对,我国在碳基材料的研究上也不落人后。在2008年,北大彭练矛团队就突破了n型碳纳米管制备这一跨世纪难题,创造性地研发出一整套高性能碳纳米管晶体管的无掺杂制备方法,并在2017年首次制备出栅长5nm的晶体管,同时证明了碳纳米晶体管可以在达到理论极限时克服短沟道效应

 

2019年,清华大学化学工程系魏飞教授团队,实现在长度达到154mm后可实现99.9999%超长半导体管阵列的一步法制备。

 

2020年,彭练矛、张志勇团队突破了半导体碳纳米管关键的材料瓶颈,且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。

 

在石墨烯方面,国内的研究也屡有突破。2019年,中国科学院上海微系统与信息技术研究所谢晓明团队首次在较低温度条件下采用化学气相沉积外延成功制备6英寸无褶皱高质量石墨烯单晶晶圆,成功将外延生长石墨烯单晶的生长温度从1000℃成功降低到750℃。

 

2019年,北京大学刘忠范院士与彭海琳教授联合团队循着外延衬底制备-石墨烯外延生长这一研究思路,首先制备了4英寸CuNi铜镍合金单晶薄膜,并以其为生长基底实现了4英寸石墨烯单晶晶圆的超快速制备。

 

彭练矛在接受媒体采访时就曾表示,我国的碳基半导体研究是代表世界领先水平的。与国外硅基技术制造出来的芯片相比,我国碳基技术制造出来的芯片在处理大数据时不仅速度更快,而且至少节约30%的功耗。

 

当前,碳基材料或其他新材料面临的最大障碍还是来自于市场。行业人士就认为,新材料在尝试融入现有供应链时面临着怀疑和停滞。

 

负责澳大利亚联邦科学与工业研究组织的物理学家Amanda Barnard2014年接受采访时表示:“我们已经从全球硅芯片中获得了数万亿美元的投资,我们还不会离开这块利润丰厚的领域。”

 

不过,随着先进制程往下推进越来越艰难,新材料的局面正逐渐打开,而其也为半导体技术带来了新的机遇。正所谓“不破不立“,在半导体晶体管发明百年之后,新材料的出现将可能彻底改写现代科技的面貌。