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半导体行业观察|碳纳米管能否拯救摩尔定律？



半导体行业观察|碳纳米管能否拯救摩尔定律？
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编者按：
近年来 ， 因为制程工艺的演进 ， 传统硅材料的极限开始凸显 。 为此产业界在寻找新的替代者 ， 并且有了很多方案 。 在本文 ， 我们试浅谈一下最近比较火热的碳纳米管的前景 。
硅基晶体管的极限与碳纳米管的优势
随着半导体特征尺寸的逐渐缩小 ， 硅基半导体晶体管正在越来越接近物理极限 。 随着硅基晶体管逐渐接近极限 ， 各种生产问题正在一一浮现 。 首先 ， CMOS晶体管在沟道尺寸很短时 ， 使用普通的平面工艺会造成漏电流（leakage current）非常大 ， 这就造成了芯片待机功耗的问题 。 为此 ， 16nm以下节点的CMOS普遍使用立体结构 ， 例如FinFET ， 而随着沟道尺寸进一步降低 ， 晶体管的结构也在变得越来越复杂 ， 例如GAA等 。 这就造成了CMOS工艺在小的特征尺寸下无论是制备难度还是成本都在快速上升 。 除此之外 ， 我们看到CMOS工艺在特征尺寸进一步缩小（小于10nm）的时候 ， 晶体管的性能并没有相应提升 ， 因此如何获得高性能和高能效比晶体管就成了半导体业界的重要诉求 。
碳纳米管晶体管的电气功能和CMOS 晶体管很接近 ， 同样都有栅、源、漏极 ， 其沟道则是由碳纳米管构成 。 与CMOS晶体管类似 ， 通过在碳纳米管的栅源漏极加电压可以改变碳纳米管的电流 ， 从而形成电路 。

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与CMOS晶体管相比 ， 碳纳米管晶体管有几大优势 。 首先 ， 在先进工艺短沟道（如5nm）的情况下 ， 碳纳米管即使使用平面工艺也不会有漏电流的问题 。 这就意味着碳纳米管一旦在先进工艺下量产 ， 那么其制备的难度和成本有希望比硅基CMOS工艺要低很多 ， 从而打破摩尔定律接近瓶颈的僵局 。 此外 ， 碳纳米管本身也有优秀的电气性能 ， 其能效比可以比CMOS晶体管要高一个数量级 ， 而且碳纳米管的一些特殊性质也能在传感器领域获得大量应用 。
碳纳米管正在走向量产
碳纳米管从提出至今已经有数十年的历史 ， 而碳纳米管真正走向量产是最近五年的事情 。
碳纳米管的量产存在两大挑战 ， 第一是如何在单位面积上制备高密度的碳纳米管 ， 第二是如何保证纯度 。 其中的碳纳米管纯度是指 ， 在生长碳纳米管的过程中 ， 会出现部分器件并没有真正成为碳纳米管而是形成了金属碳纳米管 ， 这些金属碳纳米管的电气特性和真正的碳纳米管并不一致 ， 因此碳纳米管制备过程中希望纯度较高即金属碳纳米管的比例很低 。 今年五月底 ， 北京大学彭练矛教授领导的发表在《科学》杂志上的研究可以说是在高密度高纯度碳纳米管阵列制备方向上的一个重要里程碑 。 该研究首次同时实现了高密度（可达100-200碳纳米管／微米）和高纯度（99.9999%纯度）的碳纳米管阵列制备 。 该研究中的碳纳米管沟道长度为165nm ， 其本征延时可低至12.4ps ， 比起相似沟道长度的CMOS电路来说要低 ， 这也证实了碳纳米管晶体管的潜力 。

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《科学》杂志上发表的最新同时具有高密度和高纯度的碳纳米管阵列制备工艺
除了我国的团队之外 ， 美国的科研机构在碳纳米管领域也投入了很大精力 。 MIT的Max Shulaker教授的团队的一系列工作也是推动碳纳米管量产的重要里程碑 。 2019年 ， Shulaker团队成功实现了由14000多个碳纳米管晶体管实现的16位处理器 ， 是当时集成度最高的碳纳米管芯片 。 而在本月《自然·电子学》刚发表的论文中 ， Schulaker教授的团队则将碳纳米管的量产更进一步 ， 和Analog Devices（ADI）以及SkyWater Technology合作成功地在商用Fab中在三块晶元上制造了近两百万个碳纳米管 ， 其特征尺寸接近130nm 。 在这篇论文中 ， Shulaker研究组提出了多项重要的新技术 ， 可以大大缩短碳纳米管的制备时间（从两天时间缩短到了两分钟） ， 同时其大规模制备的碳纳米管阵列也具有相当好的一致性 。 这一研究可以大大缩短碳纳米管的制造成本 ， 这也将成为碳纳米管商业化量产的重要里程碑 。


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