硅基CMOS技術(shù)將在2020年達到其性能極限。國際半導(dǎo)體技術(shù)路線圖委員會推薦碳基納電子學(xué)（包括碳納米管和石墨烯）作為可能在未來5～10年顯現(xiàn)商業(yè)價值的下一代電子技術(shù)。本文將對碳納米管電子學(xué)的優(yōu)勢進行簡要的介紹，并著重對碳納米管電子學(xué)所面臨的主要挑戰(zhàn)及解決途徑進行論述。

集成電路芯片是現(xiàn)代信息技術(shù)的基石?，F(xiàn)代電子芯片組成器件中約90%源于硅基互補金屬一氧化物一半導(dǎo)體（complementary metal oxide semicon-ductor，CMOS）器件。經(jīng)過半個世紀(jì)的快速發(fā)展，硅基CMOS技術(shù)已經(jīng)走到了14納米技術(shù)節(jié)點，即將進入10納米節(jié)點，并將在2020年達到其性能極限。

硅基CMOS技術(shù)的局限

硅基CMOS技術(shù)的核心是高性能電子型和空穴型場效應(yīng)晶體管（field effect transistor，F(xiàn)ET）的制備，以及這兩種互補場效應(yīng)晶體管的集成。隨著晶體管尺度的縮減，器件加工遇到越來越嚴(yán)重的技術(shù)障礙，最主要的問題集中于器件的加工精度和摻雜的均勻性。隨著器件尺度的不斷減小，場效應(yīng)晶體管的源漏電極之間載流子通道的物理長度已減至10納米以下，這時晶體管物理尺度的不確定性將不能忽略。同時，傳統(tǒng)微電子器件的電學(xué)性質(zhì)是通過控制向本征半導(dǎo)體材料的摻雜來進行調(diào)制的，當(dāng)器件尺度達到納米量級時，器件中雜質(zhì)原子的數(shù)目將減少到十幾或者更少，相應(yīng)的統(tǒng)計誤差將高達百分之幾十。另外，納米尺度導(dǎo)電通道中高強度的電場很容易誘發(fā)雜質(zhì)原子的遷移，嚴(yán)重影響場效應(yīng)晶體管電學(xué)性質(zhì)的性能和穩(wěn)定性。

目前，關(guān)于納米尺度硅基場效應(yīng)晶體管已有許多報道，但是制備出這些小尺度的場效應(yīng)晶體管并未表明納米尺度器件的加工均勻性問題已得到解決，或者原則上可以解決。更為重要的是，器件尺度的縮減所帶來的性價比紅利正迅速變薄。隨著微納加工技術(shù)的發(fā)展，未來仍可能制備出物理尺度更?。ɡ?納米）的器件，但是這些更小尺度器件的性能不一定更好，其制備成本也可能不降反升。無論這些問題的答案如何，按照目前微電子技術(shù)的發(fā)展速度，器件的物理尺度將在2020年之前達到量子力學(xué)所允許的絕對極限。

國際半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展趨勢

在2015年度國際固態(tài)電路會議（InternationalSolid-State Circuits Conference，ISSCC）上，英特爾（Intel）公司公布了新的10納米技術(shù)方案以及在7納米及以下如何繼續(xù)保持摩爾定律的研究計劃。為了實現(xiàn)7納米工藝，英特爾認(rèn)為必須采納新的基礎(chǔ)材料，10納米工藝很有可能成為硅基芯片的終點。IBM公司也認(rèn)為，微電子工業(yè)走到7納米技術(shù)節(jié)點時將不得不面臨放棄繼續(xù)使用硅作為支撐材料。之后，非硅基納電子技術(shù)的發(fā)展將可能從根本上影響未來芯片和相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。IBM的系統(tǒng)計算表明，10納米技術(shù)節(jié)點后碳納米管芯片在性能和功耗方面都將比硅芯片有明顯改善。例如從硅基7納米技術(shù)到5納米技術(shù)，芯片速度大約提升20%；而相比硅基7納米技術(shù)，碳納米管基7納米技術(shù)的芯片速度將提升300%。IBM宣布，由碳納米管構(gòu)成的、速度是目前芯片5倍的芯片將于2020年之前成型。

長期以來，半導(dǎo)體工業(yè)的發(fā)展是以國際半導(dǎo)體技術(shù)路線圖（International Technology Roadmap forSemiconductors，ITRS.http：//public.itrs.net）為導(dǎo)向的。2005年，ITRS委員會首次明確指出：在2020年前后，硅基CMOS技術(shù)將達到其性能極限。以2020年作為時間節(jié)點，來自工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的研究人員都在積極尋找硅的替代技術(shù)。然而，可供選擇的名單并不多。

2007年，ITRS委員會認(rèn)識到發(fā)展新型納米器件的緊迫性。為了制定更詳盡的半導(dǎo)體技術(shù)路線圖，要求新興研究材料工作組（Emerging ResearchMaterials，ERM）和新興研究器件工作組（EmergingResearch Devices，ERD）推薦一兩種最有前景的新興材料和器件技術(shù)。在對所有的硅基CMOS替代技術(shù)——包括納電子機械開關(guān)，集體自旋器件，自旋矩轉(zhuǎn)移器件，原子開關(guān)，單電子晶體管，碳基納電子學(xué)等進行考察、評估之后，工作組明確推薦碳基納電子學(xué)（包括碳納米管和石墨烯）作為可能在未來5～10年顯現(xiàn)商業(yè)價值的下一代電子技術(shù)。

2020年是一個重要的時間節(jié)點，美國政府和公司為之做了系統(tǒng)規(guī)劃。美國國家科學(xué)基金會（NationalScience Foundation，NSF）2008年專門啟動了“超越摩爾定律的科學(xué)與工程”（Science and EngineeringBeyond Moore's Law，SEBML）項目，用以專門資助硅技術(shù)可能替代者的研究，其中碳基納電子學(xué)研究被視為重中之重。此外，已執(zhí)行了十余年的美國國家納米技術(shù)計劃（National Nanotechnology Initiative，NNI），除了通過常規(guī)途徑繼續(xù)對碳納米材料和器件給予重點支持，還于2011年設(shè)立了“2020年后的納米電子學(xué)”（Nanoelectronics for 2020 and Beyond）研究專項，每年專項資金高達上億美元。歐盟各國政府與公司同樣對碳基納電子技術(shù)進行了重點支持，歐盟于2013年啟動了“石墨烯旗艦計劃”（Graphene Flagship），用以資助石墨烯及相關(guān)二維材料的研究，期望以此推動信息領(lǐng)域、通信領(lǐng)域的技術(shù)革命。

碳納米管電子學(xué)的優(yōu)勢

碳納米管具有極其優(yōu)異的電學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、磁學(xué)以及力學(xué)性能，是理想的納電子和光電子材料。碳納米管具有特殊的幾何結(jié)構(gòu)，使得費米面附近的電子態(tài)主要為擴展π態(tài)。由于沒有表面懸掛鍵，表面以及碳納米管結(jié)構(gòu)的缺陷對擴展π態(tài)的散射效應(yīng)對電子在材料中的傳輸幾乎沒影響。室溫下，碳納米管中電子和空穴的本征遷移率均極高，超出了最好的硅基半導(dǎo)體材料：典型的硅基場效應(yīng)管的電子遷移率是1000厘米²/（伏·秒），碳納米管場效應(yīng)管中電子遷移率可以達到100 000厘米²/（伏·秒）。

通過控制結(jié)構(gòu)，由碳納米管可以得到金屬管和半導(dǎo)體管。小偏壓情況下，電子平均自由程可以達到幾微米，由于典型的碳納米管器件長度為幾百納米，器件中電子輸運呈現(xiàn)完美的彈道輸運特征。典型的金屬性碳納米管在室溫下電阻率為10^-6歐·厘米，性能優(yōu)于最好的金屬導(dǎo)體。

碳納米管器件不僅具有優(yōu)異的導(dǎo)電性能，其熱導(dǎo)率也達到了6000瓦/毫開，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于最好的熱導(dǎo)體。

另外，碳納米管器件還能承受極高的電流上限，有非常好的高頻響應(yīng)，性能優(yōu)于所有已知的其他半導(dǎo)體材料。

五大挑戰(zhàn)及其解決途徑

碳納米管的主要潛在優(yōu)勢源于它擁有完美的結(jié)構(gòu)、超薄的導(dǎo)電通道、極高的載流子遷移率和穩(wěn)定性。然而，從理論與實驗研究到工業(yè)應(yīng)用，人們還面臨著巨大的挑戰(zhàn)。2009年，ITRS明確提出了碳納米管電子學(xué)所面臨的五大挑戰(zhàn)。下面將對這五大挑戰(zhàn)以及解決途徑做一簡單介紹。

能隙控制

由于具有很高的載流子遷移率以及具有彈道輸運的特性，碳納米管場效應(yīng)管的相關(guān)應(yīng)用成為研究焦點。單壁碳納米管（single-walled carbonnanotube，SWCNT）要在CMOS技術(shù)中得到實際應(yīng)用，首先要能生長出具有緊致能隙分布的半導(dǎo)體性SWCNT。為了實現(xiàn)原位能隙分布控制，在生長過程中碳納米管的直徑和手征性必須得到嚴(yán)格控制。目前，幾乎所有的生長技術(shù)中都會出現(xiàn)的金屬性和半導(dǎo)體性SWCNT共存問題是制約碳納米管電子學(xué)發(fā)展的瓶頸。純半導(dǎo)體性SWCNT陣列的選擇生長是面臨的第一個技術(shù)挑戰(zhàn)。

北京大學(xué)李彥課題組和美國杜克大學(xué)劉杰課題組多年來一直致力于SWCNT的可控生長研究，2009年兩個課題組聯(lián)合在單晶石英襯底上成功生長出完美排列的SWCNT陣列。拉曼光譜以及電學(xué)方面的相關(guān)測量證實，陣列中半導(dǎo)體性SWCNT的比例達到95%。最近，通過設(shè)計高溫下穩(wěn)定的催化劑并控制其和碳納米管結(jié)構(gòu)的匹配，李彥研究組在結(jié)構(gòu)控制生長方面取得了突破性的進展，有望將其發(fā)展成為通用方法，以滿足碳納米管集成電路規(guī)模制備對于半導(dǎo)體純度的要求。

碳納米管位置、方向控制

要實現(xiàn)碳納米管器件的工業(yè)應(yīng)用，同樣必須在材料生長過程中精確地控制碳納米管的生長位置，并使碳納米管嚴(yán)格地按器件設(shè)計所要求的方向排列。這個方向的研究在過去幾年中取得了實質(zhì)性的進展。利用傳統(tǒng)的催化生長技術(shù)，在石英或藍寶石表面可以圖案化定位生長出排列整齊的SWCNT陣列，其管徑大小中催化劑和碳管與基底相互作用共同決定，同時這些相互作用和基底的晶格取向決定了碳納米管的生長方向。但通過這種方法生長的SWCNT陣列密度較低，一般每微米僅有10～50根SWCNT。2014年，北京大學(xué)張錦課題組發(fā)展了新的“特洛伊”方法，通過預(yù)處理將催化劑埋藏在基底，在碳納米管生長過程中再將其釋放，使得碳納米管的密度高達每微米130余根，達到了高性能器件設(shè)計的需要。

碳納米管電學(xué)接觸

1998年，荷蘭德克爾（C.Dekker）研究組和美國IBM基礎(chǔ)研究實驗室同時報道了第一個碳納米管晶體管，揭開了碳納米管電子學(xué)研究的序幕。但最初的碳納米管晶體管接觸不好，性能遠(yuǎn)低于硅基器件。2003年美國斯坦福大學(xué)戴宏杰研究組首先采用金屬鉛（Pb）作為電極，制備出了性能接近理論極限的碳納米管彈道空穴型器件。之后許多研究組嘗試通過摻雜方法制備高性能電子型器件，但均告失敗。特別是英特爾公刊2005年對所有納米晶體管進行了定量比較，發(fā)現(xiàn)雖然碳納米管空穴型器件性能遠(yuǎn)優(yōu)于相應(yīng)尺寸的硅基器件，但通過化學(xué)摻雜方法制備出的電子型器件性能遠(yuǎn)遜于硅基器件，半導(dǎo)體主流CMOS技術(shù)無法通過碳納米管材料得以實現(xiàn)。英特爾隨后在2006年宣布放棄碳納米管作為后硅技術(shù)的主要候選支撐材料，導(dǎo)致該領(lǐng)域許多研究者離開了碳納米管，開始了對石墨烯電子學(xué)的探索。雖然相關(guān)研究取得了眾多進展，但石墨烯材料沒有能隙的先天弱勢至今仍未得到解決，阻礙著石墨烯技術(shù)成為未來主流電子學(xué)技術(shù)。

我國研究人員為碳納米管電子型晶體管制備難題的解決做出了基礎(chǔ)性貢獻。在系統(tǒng)研究了各種金屬和碳納米管接觸性質(zhì)的基礎(chǔ)上，北京大學(xué)彭練矛研究團隊發(fā)現(xiàn)金屬鈧（Sc）和釔（Y）可以和半導(dǎo)體性碳納米管的導(dǎo)帶形成完美的電子型歐姆接觸。在此基礎(chǔ)上，通過縮減溝道長度，研究團隊首次制備出了碳納米管彈道電子型晶體管，其性能逼近量子極限，在速度和功耗上均遠(yuǎn)超同等尺度的硅基器件。作為碳納米管電子型歐姆接觸方面唯一的實驗工作，被連續(xù)三次寫入2009年，2011年和2013年ITRS的“新興研究材料”和“新興研究器件”報告。

載流子濃度控制

納米尺度器件中載流子濃度的控制是納米電子學(xué)面臨的又一關(guān)鍵挑戰(zhàn)。一般氧化硅（SiO₂）基底上的碳納米管傾向表現(xiàn)為空穴型半導(dǎo)體。在碳納米管CMOS器件的早期研究中，為了使空穴型碳納米管轉(zhuǎn)化為電子型半導(dǎo)體，最常見的方法是向碳納米管摻雜鉀（K）元素。然而碳納米管完美的品格結(jié)構(gòu)雖然保證了材料具有極高的遷移率，但同時也給可控?fù)诫s帶來了極大困難。鉀摻雜屬吸附性摻雜，但這種摻雜很不穩(wěn)定，而由于碳基納米材料完美的晶格結(jié)構(gòu)，替代性摻雜非常困難，目前尚無法實現(xiàn)幾十納米器件通道的可控和穩(wěn)定摻雜。更為根本的是，摻雜將不可避免地破壞碳納米材料的完美結(jié)構(gòu)，增加散射，降低器件性能。

2007年彭練矛團隊提出對于半導(dǎo)體性的碳納米管可以通過控制電極材料實現(xiàn)向晶體管選擇性注入電子或空穴，進而達到控制器件中載流子濃度和類型的目的。例如采用高功函數(shù)金屬鉛作為接觸電極，空穴可以被無勢壘地注入碳納米管的價帶，器件呈現(xiàn)為空穴型；采用低功函數(shù)金屬鈧或者釔作為接觸電極，電子可以被無勢壘地注入碳納米管的導(dǎo)帶，器件呈現(xiàn)為電子型。基于此原理，可以完全放棄傳統(tǒng)半導(dǎo)體工藝中通過化學(xué)摻雜來控制材料電學(xué)性質(zhì)的核心理念，采用“無摻雜”方式實現(xiàn)高性能碳納米管CMOS電子和光電器件。利用這種新理念和新技術(shù)，研究團隊2008年首次成功制備出高性能的碳納米管CMOS電路，在同一根碳納米管上實現(xiàn)了性能對稱的電子型和空穴型器件的制備，且成型器件中電子和空穴的遷移率均達3000厘米²/（伏·秒），遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了硅基CMOS器件水平。

柵介質(zhì)/界面

器件的工作速度與器件中的電流成正比，而場效應(yīng)晶體管中溝道電流的控制是通過柵和溝道間的電容耦合來實現(xiàn)的。由于柵電容與柵介質(zhì)的介電常數(shù)成正比，合適的高介電常數(shù)柵介質(zhì)是實現(xiàn)高效能場效應(yīng)晶體管的前提。自第一個CMOS集成電路問世以來，氧化硅一直是柵氧化層的首選材料。2007年，英特爾在45納米技術(shù)節(jié)點首次采用具有高介電常數(shù)的氧化鉿（HfO₂）取代氧化硅，極大地提高了CMOS器件的性能。雖然在硅基納米材料中，氧化鉿是合適的氧化層材料，但碳基納米結(jié)構(gòu)具有完美的晶格結(jié)構(gòu)，由于缺少成核中心，傳統(tǒng)的生成技術(shù)，如原子層沉積技術(shù)（atomic layer deposition，ALD）無法在碳納米結(jié)構(gòu)表面生長出超薄氧化鉿介電層。

彭練矛研究團隊發(fā)現(xiàn)金屬釔不僅可以和碳納米管的導(dǎo)帶形成完美歐姆接觸，適當(dāng)條件下將其氧化，還可在碳基納米材料上得到高質(zhì)量連續(xù)氧化釔（Y₂O₃）介質(zhì)薄膜。集成了這種柵介質(zhì)的碳納米管電子型晶體管首次達到了關(guān)斷特性（turn-offcharacteristic）的理論極限，其亞閾值擺幅在室溫下達到了60毫伏/倍頻程，被2013年ITRS選為“國際上性能最好的碳納米管晶體管”。氧化釔柵介質(zhì)成為ITRS推薦的唯一碳基器件柵介質(zhì)材料，被同時寫入2011年ITRS的ERD和2011年、2013年的ERM報告中。

碳納米管電子技術(shù)發(fā)展前景

經(jīng)過半個世紀(jì)奇跡般的發(fā)展，硅基CMOS技術(shù)即將進入10納米技術(shù)節(jié)點，并將在2020年之前達到其性能極限，后摩爾時代的納電子科學(xué)與技術(shù)的研究變得日趨急迫。目前包括英特爾和IBM在內(nèi)的很多企業(yè)認(rèn)為微電子工業(yè)走到7納米技術(shù)節(jié)點時可能不得不面臨放棄繼續(xù)使用硅作為支撐材料。IBM研究人員系統(tǒng)層面的計算表明進一步縮減器件尺度，漏電流所造成的系統(tǒng)性能下降將超過由于縮減器件尺度所帶來的速度等紅利，系統(tǒng)整體性能將不升反降。在不多的幾種候選材料中，碳納米管材料是唯一可以通過減小器件直至5納米技術(shù)節(jié)點而繼續(xù)提高系統(tǒng)整體性能的材料，是后摩爾時代硅材料最有希望的替代材料。

高度成熟的硅基CMOS技術(shù)的保障是近乎完美的硅單晶材料的規(guī)模制備技術(shù)和精準(zhǔn)的基于摻雜的性能調(diào)控技術(shù)。雖然自1993年單壁碳納米管發(fā)現(xiàn)以來，碳納米管可控制備技術(shù)已有了極大的發(fā)展，但是不論在碳納米管的半導(dǎo)體純度控制方面還是碳納米管陣列的密度控制方面，距離成為理想的大規(guī)模集成電路制備用電子材料尚有一定距離。各種基于新的物理和化學(xué)方法的奇思妙想不斷涌現(xiàn)，但文獻報道的實驗結(jié)果往往不可重復(fù)。碳納米管技術(shù)與硅基CMOS技術(shù)不論加工、測試還是模擬均存有巨大差異，需要加強研究力量，尋找更加協(xié)調(diào)的方式來實現(xiàn)和高度成熟的硅基芯片設(shè)計技術(shù)的接軌。

2020年將是一個非常重要的時間節(jié)點。屆時一旦有跡象表明可能形成后硅時代技術(shù)，將會對整個芯片產(chǎn)業(yè)的格局和發(fā)展產(chǎn)生重大影響。北京大學(xué)碳電子研究團隊最新研究結(jié)果表明，在10納米技術(shù)節(jié)點碳納米管晶體管的速度和功耗均較硅基器件有10倍以上的優(yōu)勢，進人亞10納米技術(shù)節(jié)點后這種優(yōu)勢還將繼續(xù)加大。2013年9月，美國斯坦福大學(xué)研究組在英國《自然》周刊以封面文章的形式報道制造出了世界上首臺由178個晶體管構(gòu)成的碳納米管計算機。2014年7月1日《MIT技術(shù)評論》報道，IBM宣布商業(yè)碳納米管晶體管即將來臨——由碳納米管構(gòu)成的比現(xiàn)有芯片快5倍的芯片將于2020年之前成型?；谔技{米管的集成電路技術(shù)不再是遙不可及的夢想，現(xiàn)代信息科技與產(chǎn)業(yè)的支撐材料正加速從硅到碳進行轉(zhuǎn)變。

我國的研究人員經(jīng)過十余年的努力，在碳基納電子學(xué)研究領(lǐng)域已做出原創(chuàng)性貢獻，發(fā)展了一整套碳納米管CMOS集成電路和光電器件的無摻雜制備新技術(shù)，成了下一代信息處理技術(shù)的強有力競爭者，相關(guān)成果被1 5次寫入ITRS。特別是在2011年度ITRS的“新興研究器件”報告中，和碳納米管器件相關(guān)的9項進展，中國的研究進展占據(jù)了4項；201 3年報告中的11項進展中，中國研究成果占據(jù)了3項。

由于碳基集成電路的研制是一個龐大的系統(tǒng)工程，涉及材料學(xué)、微納加工技術(shù)、電子器件的設(shè)計和制備、系統(tǒng)集成等多個領(lǐng)域，傳統(tǒng)的課題組自由研究模式難以滿足碳基集成電路研制的需要。然而相較于美國、歐洲對碳基納電子學(xué)的詳盡規(guī)劃和巨資投入，我國尚未有相應(yīng)的碳基電子學(xué)國家戰(zhàn)略。碳基CMOS技術(shù)屬顛覆技術(shù)，未來十年的發(fā)展將可能影響到我國上萬億元的芯片及其上下游相關(guān)產(chǎn)業(yè)。為搶占這一未來半導(dǎo)體技術(shù)戰(zhàn)略制高點，需要國家抓住機遇，盡快啟動碳基集成電路的國家戰(zhàn)略計劃，力爭使碳基電子能夠在中國開花、結(jié)果，形成中國自己的碳基納電子產(chǎn)業(yè)。

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