迎戰(zhàn)“碳基”時代

劉婉茹

從信息化到智能化，集成電路芯片的地位堪稱“得芯片者得天下”，而芯片組成器件中，硅基CMOS器件占了足足九成。眼下，硅基CMOS技術已經走進了14納米的技術節(jié)點。但在后摩爾階段，其優(yōu)勢究竟能保持多久？IBM等企業(yè)認為，硅基芯片即將走向終點，微電子工業(yè)也將在7納米技術節(jié)點時不得不放棄使用硅基材料。替代者是誰？碳基納米材料——特別是碳納米管和石墨烯，被公認為最佳潛力股。

為什么是碳基納米材料？完美的結構、超薄的導電通道、極高的載流子遷移率和穩(wěn)定性，都使它備受青睞。IBM的系統(tǒng)計算展示出一組數(shù)據(jù)：硅基從7納米到5納米，芯片速度大約能提升20%；而同樣在7納米上，碳基芯片可以提速300%，相當于15代硅基技術的改善。2020年之前，5倍于當前硅基芯片速度的碳基芯片甚至也將成型。

可以說，與最初由于接觸不良，性能遠不及硅基器件的碳納米管晶體管相比，經過了近20年的發(fā)展，碳基技術的出色令世界刮目相看。在碳納米管電學接觸上，北京大學彭練矛團隊發(fā)現(xiàn)金屬鈧或釔可以和碳納米管的導帶形成理想歐姆接觸，在此基礎上首次制備出性能達到理想彈道極限的n型碳納米管晶體管，被際半導體技術路線圖（ITRS）選為性能最好的碳納米管晶體管。這是碳納米管電子型歐姆接觸方面唯一的實驗工作，鈧也成為ITRs推薦的碳基器件中首選n型歐姆接觸電極材料。

至于釔，他們還挖掘出另一重潛質：在適當條件下將其氧化，可以在碳基納米材料上的大高質量連續(xù)氧化釔柵介質薄膜。這一介質層所創(chuàng)造的柵電容紀錄至今仍未被打破，因此成為ITRS推薦的唯一碳基器件柵介質材料，被法國、美國等研究組用于構建包括高性能柔性電子器件在內的多種納電子器件。

納米尺度器件中載流子濃度的控制是納米電子學面臨的又一個關鍵挑戰(zhàn)。早期研究中，為了使空穴型碳納米管轉化為電子型半導體，最常見的方法就是摻雜鉀元素。但鉀摻雜屬于吸附性摻雜，極不穩(wěn)定，同時，碳納米管完美的晶格結構為可控摻雜帶來了極大困難。一著不慎，摻雜還將破壞這一完美結構，降低器件性能。2007年，彭練矛團隊提出了“無摻雜”新理念：通過控制電極材料來達到選擇性地向碳管注入電子或空穴，實現(xiàn)晶體管極性的控制。2008年，他們在實驗室首次實現(xiàn)了碳管無摻雜高性能完美對稱的CMOS電路的制備，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。而后，他們用比CMOS邏輯效率更高的傳輸晶體管邏輯設計并實現(xiàn)了納米運算器所需的全部電路，將電路的驅動電壓降至0.4V的水平?！蹲匀弧冯s志認為，這種低功耗技術是追求基于碳納米管晶體管計算技術的最重要的推動力之一。

2011年度中國科學十大進展中，“實現(xiàn)碳納米管的高效光伏倍增效應”上榜。這也是由彭練矛團隊完成的。他們在實現(xiàn)首個碳管發(fā)光和光電二極管基礎上，發(fā)明了碳管級聯(lián)光電池技術，在一根10微米長的碳管上實現(xiàn)了光電壓的5倍增，獲得了超過1V的光電壓，進一步表明，在碳管上無需摻雜，僅需通過選擇電極組合即可實現(xiàn)完美的電子和光電子器件集成。

經過十幾年的努力，他們已經發(fā)展出一整套碳納米管CMOS集成電路和光電器件的無摻雜制備新技術，成為下一代信息處理技術的強有力的競爭者，相關成果13次被寫入ITRS，并獲2013年高校自然科學獎一等獎、2016年度國家自然科學獎二等獎等。

2020年后的納米電子學要如何走？碳基CMOS技術將為其帶來顛覆性的變化，這也將影響到我國上萬億元的芯片及其上下游相關產業(yè)。相較歐美各國的大力投入，我國的相關布局無疑已經晚了一步。彭練矛團隊希望能夠盡快啟動碳基集成電路的國家戰(zhàn)略計劃。讓碳基納米電子產業(yè)在中國開花結果，這才是他們的終極理想。