3nm芯片，用碳取代硅可行吗？
本文来自微信公众号：芯东西（ID：aichip001），作者：董温淑，题图来自：视觉中国
芯东西8月26日消息，就在两天前，北京大学一支碳纳米半导体材料研究团队登上全球顶级学术期刊《自然·电子学》，该课题组研发出一种可“抗辐射”的碳纳米管晶体管和集成电路、可用于航天航空、核工业等有较强辐照的特殊应用场景。此项研究成果意味着我国碳基半导体研究成功突破抗辐照这一世界性难题，为研制抗辐照的碳基芯片打下了坚实基础。
“碳纳米管（CNT）具有优异的电学性能、准一维晶格结构、化学稳定性好、机械强度高等特点，是构建新型CMOS晶体管和集成电路的理想半导体沟道材料，有望推动未来电子学的发展。并且，由于碳纳米管具有强碳-碳共价键、纳米尺度横截面积、低原子数等特点，可以用来发展新一代超强抗辐照集成电路技术。但如何将碳纳米管的超强抗辐照潜力真正发挥出来，却是全世界科学家面临的几大难题之一。”联合研究组成员、北京大学碳基电子学中心副主任张志勇教授说。
其实，这已经是这支团队今年第二度登上顶级学术期刊。早在5月份，这支团队就凭借一种创新的碳纳米管晶体管制备方法登顶《科学》。那么，这种频频受到顶级期刊青睐的“碳纳米管晶体管”到底是什么？又有什么研究意义？
要搞清这个问题，还要从半导体行业的黄金定律“摩尔定律”说起。
摩尔定律预言，集成电路上可容纳的晶体管数目约每隔两年会增加一倍。只要芯片上晶体管的数目按照预言增加，芯片行业就能稳吃红利。
可惜的是，摩尔定律指明了半导体行业应该追逐的方向，但没有指出一条道路。
从1995年开始，对晶体管尺寸即将达到极限的预言不断被抛出。为了阻止“摩尔定律将终结”这把悬顶之剑落下，一部分学界、业界研究者几番力挽狂澜，通过改进晶体管架构、改良制造设备来为摩尔定律“续命”。
另一边，一群“特立独行”的的研究者却把目光放在了半导体材料上。他们提出，干脆换用其他材料制备晶体管，放弃硅基材料这盘“死棋”。而在众多替代材料中，碳纳米管材料最被看好。今年五月份，我国北京大学研究团队在制备碳纳米管方面取得了世界先进性成果，有望把芯片制程推进3nm以下！就在两天前，北京大学研究团队在碳纳米半导体材料方面的最新进展又被学术期刊《自然·电子学》收录。
其实早在2008年，ITRS研究报告曾明确指出，未来的研究重点应聚焦于碳基电子学。
除了是芯片产业的“明日之子”，碳纳米管晶体管对我国芯片产业更有别样的意义。今年，美国对我国的芯片技术的进出口管制进一步收紧。华为首当其冲，而华为背后是整个国内产业链受到了冲击。
我国的碳纳米材料研发起步较早，近期北大团队的研究成果更是在全世界范围内“先声夺人”。在“自研”的重要性被外力无限放大的今天，碳纳米管技术方面的优势不容忽视。
碳纳米管半导体到底是什么？用碳纳米管做替代可行吗？这是不是一招妙棋？这就是智东西今天要回答的问题。
一、偶然被发现的半导体产业“明日之子”
半导体早期发展阶段，晶体管由锗制作。发现锗材料制成的芯片难以承受高温工作条件后，研究人员翻开元素周期表，选出与锗属于同族、储量更足、耐热性更好的硅成为替代。
相比硅材料的“按图索骥”，碳基半导体材料被发现要偶然得多。碳纳米管由碳分子管状排列而成，可看作是由单层石墨卷成了一个“圆筒”，需要由石墨棒等碳材料经特殊方法制备而成。
1991年，日本物理学家饭岛澄男就职于日本筑波市的NEC（日本电气）基础研究所，专长于纳米科学、电子显微镜学等领域。
当时，饭岛用高分辨透射电子显微镜，观测用电弧法产生的碳纤维产物，意外发现了碳纳米管。饭岛澄男曾在美国、日本指导大量中国学生，2011年，饭岛澄男当选为中国科学院外籍院士。
▲饭岛澄男
通过对碳纳米管材料的研究，人们发现它具有相比硅基材料更为优异的半导体特性，特别是在高迁移率、纳米尺寸、柔性、通透性、生物可兼容性方面。这些优异特性意味着碳基集成电路将具备高速率、高能效的优势。
基于上述性能优势，相比硅基晶体管，碳纳米管晶体管具有5～10倍的速度和能耗优势，适合用于高端电子学应用、高频器件应用、光通讯电路应用、柔性薄膜电子学应用。
二、二十余年成长史：IBM/斯坦福纷纷入局
饭岛澄男的发现开启了对碳纳米管这种材料的研究，也为碳纳米管的半导体应用买下伏笔。在实际应用方面，IBM是“第一个吃螃蟹的勇士”。
1998年，IBM研究人员制作出首个可工作的碳纳米管晶体管。从那以后很长时间，IBM一直对碳纳米管晶体管表现出浓厚兴趣。
2012年，IBM研究人员制造出一个沟道长度为9nm的碳纳米管晶体管。这是世界上首个可以在10nm节点以下工作的晶体管。同年，IBM基于标准半导体制程，研究出将超1万个碳纳米管晶体管集成到一颗芯片中的技术。
▲IBM制备的9nm沟道长度碳纳米管晶体管示意图
2014年，IBM更是抛出豪言壮语，称要在2020年之前利用碳纳米管制备出比其时芯片快5倍的半导体芯片。2017年，IBM研究将碳纳米管晶体管尺寸推进40nm。IBM还曾组建一支专攻碳纳米管半导体技术研发的团队，就在IBM的T·J·华盛顿研究中心，由Wilfried Haensch领导。
▲IBM碳纳米管项目负责人Wilfried Haensch
除IBM外，斯坦福、麻省理工、英特尔等机构也纷纷上马碳纳米管技术研究。
2013年，斯坦福大学研究团队用178个碳纳米管晶体管制造出一个碳基芯片。当时，斯坦福研究人员评论称：也许有一天硅谷会变成碳谷。
▲斯坦福大学2013年制造出的碳基芯片
2015年，英特尔科技分析师Rob Willoner透露，英特尔正考虑在未来芯片技术中使用碳纳米管晶体管。
2019年，麻省理工学院研究人员与芯片制造商Analog Devices合作，制造出全球首个全功能、可编程的16位RISC-V架构碳基处理器。该处理器能够完整地执行整套指令集。它还执行了经典的“Hello，World！”程序的修改版本，打出了“Hello, World！I am RV16XNano，made from CNTs（你好，世界！我是RV16XNano，由碳纳米管制成）”。
▲麻省理工研究团队制造出的16位RISC-V架构碳基处理器
2019年7月，DARPA召开“电子复兴计划”。斯坦福-麻省理工的碳纳米管项目获得资助。
半导体厂商巨头、学术研究领先者纷纷下注碳基半导体，再次反证了碳纳米管材料在半导体领域的巨大潜能。
但是，这并不代表着对碳纳米管半导体技术的研发会一帆风顺。1998年首个碳纳米管晶体管研发至今，碳纳米管半导体技术一直遭遇材料上的瓶颈。长期以来，最小碳纳米管CMOS器件的栅长停滞在20nm（2014年 IBM）。
具体来说，为了满足大规模高性能集成电路的要求，需要碳纳米管晶体管同时满足两个要求：
1. 排列和密度方面，需要一种高取向阵列方法，要求在1微米中放下100至200根碳纳米管，以保证晶体管数目；
2. 纯度方面，需要半导体纯度大于99.9999%、或者金属型碳管含量小于0.0001%，以保证半导体性。
目前，在碳纳米管半导体领域发展较好的外国企业是美国存储芯片制造商Nantero。根据Nantero官方信息，该公司计划于今年晚些时候推出基于碳纳米管晶体管的NRAM产品。
▲Nantero的NRAM产品
三、我国的碳基半导体研究“风景独好”
国外碳纳米管半导体材料研发停滞不前六七年。有媒体报道称，IBM的碳纳米管研发团队已经黯然解散，相关人员大多进入高校进行学术研究。
反观我国，我国的碳纳米材料研究起步较早。1997年，北京大学成立全国第一个纳米科技研究机构：北京大学纳米科学与技术研究中心。
2002年，清华大学吴德海教授团队和美国伦斯勒理工学院P.M.Ajayan教授合作，首次制备出利用浮动化学气相沉积方法制备直径约为300至500微米的碳纳米管束。
同年，清华大学范守善教授团队报道了从碳纳米管阵列拉丝制备碳纳米管纤维的方法。除了这些成就，据2014年数据，我国有超过1000家高校和科研所从事碳纳米材料研究活动，在碳纳米材料的研究方面不断创新。
碳纳米管半导体技术研发方面，相比国外一卡六七年的状况，我们颇有些“这边风景独好”的意思。
中国碳基纳电子器件代表研究机构有中科院、北京大学、清华大学等。今年5月份，北京大学发起的北京元芯碳基集成电路研究院，在权威学术期刊“Science”上发表一种全新的碳纳米管制备方法，首次同时实现了碳纳米管晶体管的高密度、高纯度要求。
使用该方法制备的碳纳米管纯度可达到99.9999%，阵列密度达到120/微米。通过这一技术，研究人员有望将集成电路技术推进到3nm节点以下！
▲北大团队研发的晶圆级高质量碳管阵列薄膜
这个消息一经公布，我国从事碳纳米材料研发、生产的几家企业股票纷纷开涨。代表的有楚江新材、银龙股份旗下碳基研究院、中科电气、丹邦科技等。
在这些公司中，丹邦科技可以算是我国碳基半导体领域的一支强劲力量。丹邦科技成立于2001年，专门从事挠性电路与材料的研发和生产，是深圳证券交易所中小板上市企业。
2019年，丹邦科技自主研发的TPI量子碳基薄膜成功试生产。作为世界上唯一具备TPI量子碳基薄膜量产能力的企业，据称其技术已被苹果、华为看中。有消息称华为已经进入中试阶段。
TPI量子碳基薄膜具有多层石墨烯结构，主要用于5G手机、芯片、笔电、柔性屏散热等使用场景。
6月30日，丹邦科技披露了其2019年年度报告。数据显示，2019年丹邦科技营业收入为约3.47亿元，其中PI膜业务约占167万，占比0.48%。
四、结语：碳基材料有望挑起未来半导体产业“大梁”
按照国际半导体技术发展路线图委员会（ITRS）预测，硅基半导体的性能将在2020年左右达到物理学极限。
2020年，最先进的芯片制程节点推进5nm。5nm之后，全球半导体产业何去何从？哪怕不是2020年，硅基晶体管的尺寸极限终将到来，到那时芯片产业又该怎么办？
面对硅基材料的尺寸极限，换用碳基材料不失为一个方法。我国北大研究团队在制备碳纳米管晶体管方面取得的成就正是把碳基半导体向产业应用推进了一步，也有助于我国为“摩尔定律将终结”的预言未雨绸缪。
在北大团队发表“Science”论文后的6月1日，麻省理工学院的碳纳米管研究也取得进展。根据发表在《自然·电子学》上的论文，麻省理工研究人员证明了碳纳米管可以在工厂量产。
从1991年被发现至今，碳纳米管技术一直在稳步发展。或许在未来，碳基材料将成为半导体领域“挑大梁”般的存在，让我们拭目以待。
本文来自微信公众号：芯东西（ID：aichip001），作者：董温淑
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