中国碳基半导体材料制备取得重大突破:成本更

日期:2020-06-03 10:16:07

步入21世纪以来,传统硅基芯片的发展速度日益缓慢,科学家们一直试图寻找能够替代硅的芯片材料,碳纳米管就是最具前景的方向之一。然而,制造出符合要求的碳纳米管材料,一直是碳管电子学领域所面临的最大的技术挑战。

针对这一亟待解决的关键问题,北京大学信息科学技术学院电子学系/北京大学碳基电子学研究中心、纳米器件物理与化学教育部重点实验室张志勇教授-彭练矛教授课题组发展全新的提纯和自组装方法,制备高密度高纯半导体阵列碳纳米管材料,并在此基础上首次实现了性能超越同等栅长硅基CMOS技术的晶体管和电路,展现出碳管电子学的优势。

这一成果,将为碳基半导体进入规模工业化奠定基础,也为我国芯片制造产业实现“弯道超车”提供巨大潜力。

相关研究成果以《用于高性能电子学的高密度半导体碳纳米管平行阵列》为题,2020年5月22日在线发表于《科学》(Science,第368卷6493期850~856页);电子学系2015级博士研究生刘力俊和北京元芯碳基集成电路研究院工程师韩杰为并列第一作者,张志勇和彭练矛为共同通讯作者。

近日,北京大学电子系教授、中国科学院院士彭练矛表示,用碳管制成的芯片,有望使用在手机和5G微基站中。

如果把芯片比作一栋房子,晶体管就是建房的砖头,一栋栋的房子就构成了我们的信息社会。

提到制造晶体管这块“砖头”的材料,很多人都会给出“硅”这个答案。然而,近十年来,半导体上晶体管数目增速明显放缓,摩尔定律日渐式微,当下的硅基芯片技术,即将碰触物理极限。

地球上普遍存在的碳元素,与硅同属一族,它们之间具有很多相似的性质。碳基半导体具有成本更低、功耗更小、效率更高的优势,更适合在不同领域的应用而成为更好的半导体材料选项。碳纳米管由此成为取代硅材料、发展下一代晶体管集成电路的最理想材料。

然而,碳纳米管集成电路批量化制备的前提是实现超高半导体纯度、顺排、高密度、大面积均匀的碳纳米管阵列薄膜。对于以往的制造工艺,这样的生产要求是难以达到的,材料问题的制约导致碳管晶体管和集成电路的实际性能远低于理论预期,成为碳管电子学领域所面临的最大的技术挑战。

多年来,由于研究周期长、成果转化不确定以及碍于投资人压力,国外厂商均未能在碳管技术方面有所建树。制备出首个超越相似尺寸的硅基CMOS的器件和电路,一直都是基础制备材料领域的梦想。

北大科研团队在《科学》杂志发表的成果,标志着碳管电子学领域、以及碳基半导体工业化的共同难题被攻克。科研团队表示,如果碳基信息器件技术,可以充分利用碳管在物理、电子、化学和机械方面的特殊优势,就有希望生产出性能优、功耗低的芯片。

课题组采用多次聚合物分散和提纯技术得到超高纯度碳管溶液,并结合维度限制自排列法,在4英寸基底上制备出密度为120 /μm、半导体纯度高达99.9999%、直径分布在1.450.23 nm的碳管阵列,从而达到超大规模碳管集成电路的需求。

基于这种材料,批量制备出场效应晶体管和环形振荡器电路,100nm栅长碳管晶体管的峰值跨导和饱和电流分别达到0.9mS/μm和1.3mA/μm(VDD=1 V),室温下亚阈值摆幅为90mV/DEC。

批量制备出五阶环形振荡器电路,成品率超过50%,最高振荡频率8.06GHz远超已发表的基于纳米材料的电路,且超越相似尺寸的硅基CMOS器件和电路。

上述研究得到国家重点研发计划“纳米科技”重点专项、北京市科技计划、国家自然科学基金等资助。湘潭大学湖南省先进传感与信息技术创新研究院、浙江大学、北京大学纳光电子前沿科学中心等单位研究人员参与合作。

该项工作突破了长期以来阻碍碳管电子学发展的瓶颈,首次在实验上显示出碳管器件和集成电路较传统技术的性能优势,为推进碳基集成电路的实用化发展奠定了基础。

芯片是一个国家发展高科技产业的核心所在,但中国在基于硅基CMOS技术的传统芯片产业一直处于被西方“卡脖子”的相对落后的境地。

目前,芯片绝大部分采用硅基材料的集成电路技术制成,该项技术被国外厂家长期垄断。采用硅以外的材料做集成电路,一直是国外半导体前沿的技术。碳基技术也是西方发达国家一直研发预备替代硅基的新技术。

从2000年起,彭练矛已在碳基纳米电子学领域坚守了近20年,带领研究团队探究用碳纳米管材料制备集成电路的方法,一路披荆斩棘。

2017年1月,彭练矛率团队研制出高性能5nm(纳米)栅长碳纳米管CMOS器件,这是世界上迄今最小的高性能晶体管,综合性能比目前最好的硅基晶体管领先十倍,接近了理论极限。其工作速度3倍于英特尔最先进的14nm商用硅材料晶体管,能耗却只有硅材料晶体管的1/4,相关成果发表于《科学》。

而后,2018年6月,研究团队提出超低功耗的狄拉克源场效应晶体管,发表在《科学》上。同年,用高性能的晶体管制备出集成电路,不仅跻身与斯坦福大学、麻省理工学院等研究机构同步的国际领跑行列,而且在最关键的核心技术上是世界领先的。

“我们的碳基半导体研究是代表世界领先水平的。”彭练矛表示。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。

碳基技术在不久的将来可以应用于国防科技、卫星导航、气象监测、人工智能、医疗器械等多重领域。未来,碳管这块新的“砖头”,将为整个中国的芯片领域发展带来新的希望,为中国芯片突破西方封锁、开启自主创新时代开辟一条崭新的道路。

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