本文摘要：摘要近六十年來,以硅為核心材料的半導(dǎo)體技術(shù),特別是CMOS集成電路技術(shù)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(dǎo)體產(chǎn)業(yè)已經(jīng)進(jìn)入后摩爾時代.半導(dǎo)體性碳納米管具有高遷移率、超薄體等諸多優(yōu)異的電學(xué)特性,因此成為后摩爾時代新型半導(dǎo)體材料
摘要近六十年來,以硅為核心材料的半導(dǎo)體技術(shù),特別是CMOS集成電路技術(shù)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(dǎo)體產(chǎn)業(yè)已經(jīng)進(jìn)入后摩爾時代.半導(dǎo)體性碳納米管具有高遷移率、超薄體等諸多優(yōu)異的電學(xué)特性,因此成為后摩爾時代新型半導(dǎo)體材料的有力候選.基于碳納米管的碳基電子技術(shù)歷經(jīng)二十余年發(fā)展,在材料制備、器件物理和晶體管制備等基礎(chǔ)性問題中也已經(jīng)取得了根本性突破,其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程從原理上看已經(jīng)沒有不可逾越的障礙.因此,本文將著重介紹碳基電子技術(shù)在后摩爾時代的本征優(yōu)勢,綜述碳基電子技術(shù)的基礎(chǔ)性問題、進(jìn)展和下一步的優(yōu)化方向,及其在數(shù)字集成電路、射頻電子、傳感器、三維集成和特種芯片等領(lǐng)域的應(yīng)用前景.最后,本文還將分析碳基電子技術(shù)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中的綜合性挑戰(zhàn),并對其未來發(fā)展做出預(yù)測和展望.
關(guān)鍵詞：碳納米管,碳基電子技術(shù),CMOS晶體管,集成電路
1引言：碳基電子技術(shù)的發(fā)展背景與歷史機(jī)遇
20世紀(jì)40年代末,巴丁(Bardeen)、布拉頓(Brattain)和肖克利(Shockley)經(jīng)過長時間的研究后發(fā)明了點(diǎn)接觸型和結(jié)型晶體管,開啟了半導(dǎo)體技術(shù)的研究浪潮;20世紀(jì)50年代末,基爾比(Kilby)和諾伊斯(Noyce)分別獨(dú)立設(shè)計并制作了最早的集成電路,芯片技術(shù)的雛形得以問世;1960年左右,貝爾實驗室和仙童半導(dǎo)體公司先后發(fā)明了硅基場效應(yīng)晶體管(Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect-Transistor,MOSFET)和互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體技術(shù)(ComplementaryMetalOxideSemiconductor,CMOS),MOSFET和CMOS隨后成為了集成電路的基礎(chǔ)單元并被使用至今.
至此,歷經(jīng)二十余年的早期探索,以集成電路為核心的硅基半導(dǎo)體技術(shù)才終于步入正軌并開始高速發(fā)展.依循摩爾定律和Dennard微縮定律這兩個半導(dǎo)體技術(shù)的商業(yè)規(guī)律和技術(shù)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(shù)的蓬勃發(fā)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(fù)雜的技術(shù)解決方案如應(yīng)變硅(StrainedSi)技術(shù)、高k金屬柵(high-kmetalgate)技術(shù)、鰭式晶體管技術(shù)(FinFET)和深紫外(DUV)乃至極紫外(EUV)光刻技術(shù)等等.但硅基晶體管的微縮速度卻在持續(xù)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(gòu)上的瓶頸(馮諾依曼架構(gòu)的內(nèi)存墻問題).
隨著先進(jìn)技術(shù)節(jié)點(diǎn)的艱難推進(jìn),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(dǎo)體產(chǎn)業(yè)步入后摩爾時代[1,2].在后摩爾時代,雖然信息技術(shù)的基石—半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)面臨著巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)和工程困難,但人類社會對數(shù)據(jù)計算能力和存儲能力的需求卻與日俱增.因此,半導(dǎo)體學(xué)界和業(yè)界在艱難發(fā)展硅基技術(shù)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(xù)和拓展摩爾定律.在眾多新型半導(dǎo)體材料中,碳納米管(Carbon-Nanotube,碳管或CNT)由于其獨(dú)特的準(zhǔn)一維結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的電學(xué)性質(zhì)而受到了人們的高度重視.
國際半導(dǎo)體路線圖委員會(ITRS)早在2009年就推薦碳納米管作為延續(xù)摩爾定律的未來集成電路材料選擇[2,3];美國國防部先進(jìn)研究計劃局(DARPA)在2018年啟動的“電子復(fù)興計劃”(ERI)中,投入高達(dá)15億美元的經(jīng)費(fèi),希望從系統(tǒng)架構(gòu)、電路設(shè)計和底層器件三個方面探索未來的集成電路技術(shù),其中最大的項目就是支持相關(guān)學(xué)術(shù)團(tuán)隊和芯片制造企業(yè)開展碳納米管集成電路技術(shù)的研究和產(chǎn)業(yè)化[4];國際商業(yè)機(jī)器公司(IBM)和臺積電(TSMC)等企業(yè)的半導(dǎo)體研發(fā)團(tuán)隊近年來也在持續(xù)跟進(jìn)碳納米管電子技術(shù)[5,6].
對碳納米管這一新型半導(dǎo)體材料的廣泛關(guān)注和看好根源于其電子學(xué)應(yīng)用上的材料器件本征優(yōu)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(shù)的深入研究.自從1991年碳納米管被發(fā)現(xiàn)以來[7],人們就對這種天然的納米尺度準(zhǔn)一維導(dǎo)體充滿了興趣,并深入系統(tǒng)研究了其材料特點(diǎn).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(jié)構(gòu)簡單、可控性好,而且半導(dǎo)體性比例高,因此碳基電子技術(shù)主要基于單壁碳管發(fā)展,下文所述碳納米管一詞也均默認(rèn)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(zhǔn)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(jié)構(gòu),其表面碳原子間的成鍵方式為sp2雜化.根據(jù)手性不同,碳納米管還可分為半導(dǎo)體性和金屬性的,這種電子性質(zhì)的多樣性使碳納米管具有廣泛的應(yīng)用前景,包括晶體管、互聯(lián)和傳感等等,下文主要討論半導(dǎo)體性碳納米管.從碳納米管的基本特性出發(fā),人們歸納了其主要的電子學(xué)材料優(yōu)勢：
(1)碳納米管的準(zhǔn)一維結(jié)構(gòu)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(zhì)材料;(3)常見的碳納米管直徑僅為1~2nm,與體型半導(dǎo)體材料相比更容易受柵極調(diào)控,因此對短溝道效應(yīng)的免疫能力較強(qiáng);(4)碳納米管的導(dǎo)帶與價帶在低能態(tài)下高度對稱,電子與空穴具有相同的有效質(zhì)量和遷移率,因此尤其適合用來制作CMOS集成電路.這些優(yōu)勢的具體表現(xiàn)將在下文深入討論.
經(jīng)過大量的早期探索,代爾夫特理工大學(xué)的Dekker等人和IBM的Martel等人終于在1998年分別獨(dú)立制造出了第一個碳納米管場效應(yīng)晶體管(CNTFET)[8,9].然而,最早的碳管器件性能尤其是開態(tài)電流遠(yuǎn)遜于同時期的硅基晶體管,這是因為碳納米管場效應(yīng)晶體管本質(zhì)上是一種肖特基場效應(yīng)晶體管,當(dāng)溝道長度小于其平均自由程時(即準(zhǔn)彈道甚至彈道輸運(yùn)),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(jīng)過大量嘗試,發(fā)現(xiàn)可通過使用高功函數(shù)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(tài)電導(dǎo)接近量子電導(dǎo)的理論極限,首次展現(xiàn)了碳納米管晶體管的高性能優(yōu)勢[10].2007年,北京大學(xué)團(tuán)隊實現(xiàn)了以低功函數(shù)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(dá)到了P型碳納米管晶體管的最好水準(zhǔn)[11].這兩個工作展示了碳納米管在場效應(yīng)晶體管和CMOS集成電路應(yīng)用上的巨大性能潛力,自此以后碳納米管電子學(xué)領(lǐng)域的主要研究工作也都集中在這兩方面.
經(jīng)過這些原始探索后,以碳納米管場效應(yīng)晶體管和CMOS技術(shù)為核心的碳基電子技術(shù)終于開始迅速發(fā)展,在材料、器件結(jié)構(gòu)、加工工藝和系統(tǒng)集成方面不斷突破,并在數(shù)字電路、射頻電子、傳感探測、三維集成和特種芯片等電子學(xué)應(yīng)用中充分展現(xiàn)了其優(yōu)勢與特色.碳基電子技術(shù)正如硅基半導(dǎo)體技術(shù)一樣,已經(jīng)完成了豐富的早期探索、進(jìn)行了系統(tǒng)的技術(shù)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(shù)方向,甚至在逐步走向?qū)嵱没彤a(chǎn)業(yè)化.有鑒于此,本文將介紹碳基電子技術(shù)在后摩爾時代的本征優(yōu)勢,重點(diǎn)討論碳基電子技術(shù)的基礎(chǔ)性問題與進(jìn)展,梳理碳基電子技術(shù)的應(yīng)用場景與發(fā)展方向,最后分析碳基電子技術(shù)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中的綜合性挑戰(zhàn),并展望碳基電子技術(shù)的未來前途.
2碳基電子技術(shù)在后摩爾時代的本征優(yōu)勢
作為現(xiàn)代信息技術(shù)的硬件基礎(chǔ),集成電路自二十世紀(jì)六十年代發(fā)展至今,已然成為了一個極其成熟又極其復(fù)雜的高技術(shù)產(chǎn)業(yè).對于集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展的著名預(yù)測—摩爾定律,也因面臨芯片成本急劇上升的經(jīng)濟(jì)學(xué)阻礙和微納加工原子極限的物理學(xué)阻礙而開始逐漸失效,集成電路產(chǎn)業(yè)進(jìn)入了后摩爾時代.后摩爾時代電子技術(shù)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(lǐng)域雖然有器件結(jié)構(gòu)、溝道材料、互聯(lián)導(dǎo)線、高k金屬柵、工藝設(shè)備等多個研究方向,但業(yè)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(jìn)行尺寸縮減.近20年來,人們?yōu)榱双@得更高的器件能效,設(shè)計了各式各樣的晶體管結(jié)構(gòu),如鰭式晶體管(FinFET)、全耗盡型絕緣層上硅晶體管(FD-SOIFET)、GAA結(jié)構(gòu)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(yīng)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(yōu)勢.而相關(guān)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(jī)制對應(yīng)數(shù)十納米到微米量級)、低場遷移率較高(1×105cm2/(Vs))、強(qiáng)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(diǎn)有利于提高器件性能和電路速度,最新實驗結(jié)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(dá)1.18mA/μm、環(huán)振電路門延時可低至11.3ps[17],該結(jié)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(zhǔn)一維超薄體,其本征量子電容較小,容易被柵極調(diào)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(yīng).綜合來看,碳納米管相比于體型半導(dǎo)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(tài)功耗隨之大幅降低;又由于碳納米管的開態(tài)性能較高,在降低工作電壓時,不需要降低閾值電壓來彌補(bǔ)性能,理論上能有效抑制關(guān)態(tài)泄漏電流,降低靜態(tài)功耗.以上特點(diǎn)使碳納米管晶體管尤其符合現(xiàn)今集成電路產(chǎn)業(yè)功耗驅(qū)動的制程進(jìn)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(jié)果表明其與傳統(tǒng)晶體管相比具有5到10倍的綜合能效優(yōu)勢,這種能效優(yōu)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(xù)摩爾定律所要求的材料器件本征優(yōu)勢以及微縮潛力,是后摩爾時代moreMoore方向的重要技術(shù)路線.
3碳基電子技術(shù)的基礎(chǔ)性問題與進(jìn)展
碳納米管作為直徑只有1~2nm的準(zhǔn)一維半導(dǎo)體,其獨(dú)特的低維特性決定了其材料特性和器件物理都與傳統(tǒng)半導(dǎo)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(shù),以及碳納米管器件的集成工藝進(jìn)行討論,重點(diǎn)分析其中的基礎(chǔ)性問題和技術(shù)挑戰(zhàn),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(jīng)20余年發(fā)展,碳納米管已然成為后摩爾時代中最具潛力、最受關(guān)注的新型半導(dǎo)體材料,碳基電子技術(shù)也顯現(xiàn)出了其延續(xù)、擴(kuò)展乃至超越摩爾定律的突出技術(shù)價值.在諸多碳基電子技術(shù)的基礎(chǔ)性問題中,學(xué)界已經(jīng)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(shù)的發(fā)明等等.基于這些材料上和器件工藝上的進(jìn)步,碳基電子技術(shù)還在多個應(yīng)用領(lǐng)域中展示了其優(yōu)勢與特色,如高性能低功耗的碳基數(shù)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(tǒng)等等.
這些進(jìn)展說明：碳基電子技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化從原理上看已經(jīng)沒有不可逾越的阻礙,從技術(shù)上看有著充分的商業(yè)價值.當(dāng)然,想要真正將碳基電子技術(shù)從學(xué)術(shù)界引入產(chǎn)業(yè)界和商業(yè)界,還需要對材料、器件結(jié)構(gòu)和集成工藝做進(jìn)一步優(yōu)化,如提高金半接觸穩(wěn)定性、降低接觸電阻及柵介質(zhì)界面態(tài)、抑制器件雙極性等等.綜合來看,碳基電子技術(shù)的原理性優(yōu)勢凸顯、工程性挑戰(zhàn)與產(chǎn)業(yè)化挑戰(zhàn)并存,需要加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研合作并借鑒成熟的硅基半導(dǎo)體經(jīng)驗,從而發(fā)展其標(biāo)準(zhǔn)化的材料制備、器件加工、電路設(shè)計和表征測試平臺.
在目前全球芯片行業(yè)商業(yè)熱情高漲但硅基技術(shù)發(fā)展卻進(jìn)入瓶頸期的大背景下,碳基電子技術(shù)為半導(dǎo)體領(lǐng)域提供了一個應(yīng)對后摩爾時代挑戰(zhàn)的可行技術(shù)方案,更是為我國提供了一次“換道超車”的機(jī)遇.結(jié)合碳基電子技術(shù)目前的發(fā)展態(tài)勢,其很有可能在短期內(nèi)實現(xiàn)碳基傳感技術(shù)等高性能、中集成度的應(yīng)用,在中長期實現(xiàn)碳基射頻電子、特種芯片等高性能高集成度的應(yīng)用,在完成足夠的技術(shù)積淀以及產(chǎn)業(yè)迭代后實現(xiàn)技術(shù)復(fù)雜度最高、商業(yè)價值最大的超大規(guī)模碳基數(shù)字集成電路.
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作者：劉一凡1)張志勇1)†
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