碳基，半導(dǎo)體的另一扇窗

李佳師

如果硅基走到了盡頭，那么全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)必須找到新的材料“續(xù)命”。2009年，半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展路線圖委員會（ ITRS）將碳基納米材料列入延續(xù)摩爾定律的未來集成電路技術(shù)選項，但是在其后的時間里，碳納米材料的研究進(jìn)展并沒有給業(yè)界交出滿意答卷。

近日，中國科學(xué)院院士、北京大學(xué)電子學(xué)系教授彭練矛和張志勇教授團隊宣布他們把碳基半導(dǎo)體技術(shù)從實驗室研究向產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用推進(jìn)了一大步。5月22日，該團隊在《科學(xué)》（ Science）雜志發(fā)表《用于高性能電子學(xué)的高密度半導(dǎo)體碳納米管平行陣列》論文，介紹了其最新發(fā)展的多次提純和維度限制自組裝方法。由于解決了長期困擾碳基半導(dǎo)體材料制備的問題，這個方法的成果令業(yè)界振奮，但從實驗室到產(chǎn)業(yè)化還必須經(jīng)歷漫長的路。

“高性能碳納米管的重大飛躍”

每一種技術(shù)都有它的生命周期，現(xiàn)有的硅基芯片制造技術(shù)即將觸碰其極限，碳納米管技術(shù)被認(rèn)為是后摩爾技術(shù)的重要選項之一。

相對于傳統(tǒng)的硅基CMOS晶體管，碳管晶體管具有明顯的速度和功耗綜合優(yōu)勢。IBM的理論計算表明，若完全按照現(xiàn)有二維平面框架設(shè)計，碳管技術(shù)相較硅基技術(shù)具有15代、至少30年以上的優(yōu)勢。斯坦福大學(xué)的系統(tǒng)層面的模擬表明，碳管技術(shù)還有望將常規(guī)的二維硅基芯片技術(shù)發(fā)展成為三維芯片技術(shù)，將目前的芯片綜合性能提升1000倍以上。

業(yè)界對碳納米管寄予厚望，2017年在臺積電IEDM大會上，臺積電CTO孫元成就報告了關(guān)于碳納米管的消息。

但碳管技術(shù)“理想很豐滿，現(xiàn)實很骨感”，碳基在理論上和模擬層面的理想值曾讓IBM和英特爾為此進(jìn)行了很多年的探索，但是都遇到了瓶頸。2005年，Intel的器件專家發(fā)表論文，結(jié)論是無法制備出性能超越硅基n型晶體管的碳納米管器件，其后Intel放棄了碳基集成電路技術(shù)。在技術(shù)路線上，IBM與英特爾都選擇了傳統(tǒng)的“摻雜”工藝制備碳納米管晶體管。

彭練矛院士和張志勇團隊在2001年進(jìn)入該領(lǐng)域，選擇了與英特爾IBM不同的另外一條路，發(fā)展了一整套碳納米管CMOS集成電路和光電器件的“無摻雜制備技術(shù)”。在2017年首次制備出柵長5納米的碳管晶體管這一世界上迄今為止最小的高性能晶體管，綜合性能比當(dāng)時最好的硅基晶體管領(lǐng)先10倍，接近了量子極限，該成果的論文發(fā)表在2017年的《科學(xué)》雜志上。

2018年，該團隊再次突破了傳統(tǒng)的理論極限，發(fā)展出新原理的超低功耗的狄拉克源晶體管，能夠滿足未來超低功耗集成電路的需要，為超低功耗納米電子學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，該論文發(fā)表在2018年的《科學(xué)》雜志上。

在今年5月22日發(fā)表在《科學(xué)》雜志的論文上，彭練矛院士和張志勇教授團隊闡述了其最新發(fā)展的多次提純和維度限制自組裝方法。這個方法解決了長期困擾碳基半導(dǎo)體材料制備的材料純度、密度和面積問題，純度達(dá)到了99.99997%左右，密度從5納米到10納米，每微米100根到200根碳納米管，這個材料基本上具備了做大規(guī)模集成電路的可能性。

在此論文發(fā)表后，杜克大學(xué)教授Aaron Franklin說，10年前他幫助IBM公司確定了碳納米管純度和密度的目標(biāo)，當(dāng)時很多人認(rèn)為這無法實現(xiàn)?，F(xiàn)在彭練矛和張志勇團隊實現(xiàn)了突破?！斑@確實是一項了不起的成就，是高性能碳納米管晶體管的重大飛躍。”AaronFranklin表示。

北京碳基集成電路研究院的技術(shù)人員向記者表示，碳基技術(shù)有著比硅基技術(shù)更優(yōu)的性能和更低的功耗，性能功耗綜臺優(yōu)勢在5到10倍，這意味著碳基芯片性能比相同技術(shù)節(jié)點的硅基芯片領(lǐng)先三代以上。比如采用90納米工藝的碳基芯片有望制備出性能和集成度相當(dāng)于28納米技術(shù)節(jié)點的硅基芯片;采用28納米工藝的碳基芯片則可以實現(xiàn)等同于7納米技術(shù)節(jié)點的硅基芯片。這為已經(jīng)走在極限值邊緣的全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)打開了另外一扇大門。

對于彭練矛院士團隊的突破，元禾璞華管理臺伙人、投委會主席陳大同表示：“彭院士團隊對于碳基半導(dǎo)體的研究絕對是世界級原創(chuàng)性技術(shù)，具有前瞻性，未來在半導(dǎo)體材料和芯片領(lǐng)域有非常大的優(yōu)勢和機會?！?019年，中國科學(xué)院微電子所所長葉甜春在參觀完4英寸碳基半導(dǎo)體實驗線時曾表示：“碳基半導(dǎo)體的研究和工業(yè)化實踐是中國第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中不可缺少的一個重要組成部分?！?/p>

碳基半導(dǎo)體需穿越“死亡谷”

世界的進(jìn)步需要科學(xué)家不斷發(fā)現(xiàn)新物質(zhì)規(guī)律和新理論，但從一扇窗變成一條新路，需要龐大的創(chuàng)新鏈齊心協(xié)力。在硅基的技術(shù)路線上我們一直跟隨，在碳基路線上中國科學(xué)家已經(jīng)從理論和實驗上實現(xiàn)了世界級的突破。接下來我們該如何從實驗室的“123”，穿過“456”的“死亡谷”，進(jìn)入到產(chǎn)業(yè)化的“789”呢？

記者還記得2017年采訪彭練矛院士和張志勇教授時他們的焦慮：一個顛覆性技術(shù)，從實驗室到產(chǎn)業(yè)界，中間還需要進(jìn)行工程化研究，只有工程化、成熟化的技術(shù)，產(chǎn)業(yè)界才敢接手。

北京碳基集成電路研究院于2018年9月正式登記成立，它的發(fā)起單位有北京大學(xué)、中科院微電子所等多家單位，彭練矛院士擔(dān)任院長。業(yè)內(nèi)人士都知道著名的比利時IMEC（大學(xué)校際微電子研究中心）實驗室，早期是由政府投資，現(xiàn)在其80%的收入來自企業(yè)，這個頂級的實驗室對于全球集成電路發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。包括英特爾、ARM、臺積電等許多業(yè)界巨頭都是它的客戶，這些巨頭的新技術(shù)在進(jìn)入大規(guī)模生產(chǎn)線之前，其新技術(shù)工程化都交給IMEC來完成。碳基集成電路的發(fā)展同樣需要這樣的機構(gòu)。目前來看，北京碳基集成電路研究院的目標(biāo)是希望成為碳基集成電路產(chǎn)業(yè)的“IMEC”。

彭練矛對《中國電子報》記者表示：“北京碳基集成電路研究院希望能夠在工程化方向上不斷前進(jìn)，做技術(shù)成熟度由4到8的事情，最終將技術(shù)轉(zhuǎn)給企業(yè)。產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化的事情一定要由公司來做，研究院是做技術(shù)研發(fā)的?！?/p>

應(yīng)該說，這次北京碳基集成電路研究院的“多次提純和維度限制自組裝方法”問世，將碳基技術(shù)從實驗室向工業(yè)化推進(jìn)了一大步，那么下一步還有哪些挑戰(zhàn)，還有哪些“死亡谷”需要穿越？

芯謀研究首席分析師顧文軍對《中國電子報》記者表示：“這是很令人興奮的事情，但是從論文到新技術(shù)再到產(chǎn)品及商品有很長的路要走，需要進(jìn)一步加大研發(fā)。目前已經(jīng)有很多新材料被研發(fā)出來，包括氮化鎵、碳化硅等，但從長期來看，硅還是難以被取代的?！?/p>

半導(dǎo)體業(yè)內(nèi)分析人士韓曉敏認(rèn)為，碳基是集成電路重要發(fā)展方向之一，但是目前產(chǎn)業(yè)生態(tài)中愿意跟進(jìn)的企業(yè)還不多。還需進(jìn)一步突破成本限制，在設(shè)備和器件等工藝方面還需建立成熟的規(guī)范流程，在產(chǎn)品方向上，與硅基芯片結(jié)合不緊密的領(lǐng)域有望最先突破。

從實驗室到產(chǎn)業(yè)化，中間的“死亡谷”有哪些“陷阱”和挑戰(zhàn)？本源量子是中國一家量子計算領(lǐng)域的創(chuàng)業(yè)公司，本源量子副總經(jīng)理張輝在接受《中國電子報》記者采訪時表示，從科研品到工業(yè)品，其中面臨的挑戰(zhàn)包括資金的持續(xù)保證、理念的轉(zhuǎn)變以及與現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)的兼容等?！芭c現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)的兼容至關(guān)重要，如果現(xiàn)有半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)從儀器、設(shè)備、工藝流程上可大部分借用，那么將大大提升產(chǎn)業(yè)跟進(jìn)的速度?！彼f。

事實上，硅基集成電路產(chǎn)業(yè)之所以有今天的豐富、成熟生態(tài)，每一個環(huán)節(jié)都投入巨大。英特爾每年的研發(fā)投入占銷售收入超過20%，臺積電過去5年的研發(fā)投入是3440億元。也正是因為如此，產(chǎn)業(yè)鏈很難“棄硅另起爐灶”，所以兼容至關(guān)重要。

那么硅基生態(tài)鏈上相關(guān)技術(shù)與工藝設(shè)備流程，比如光刻機、軟件設(shè)計工具、測試儀器、生產(chǎn)工藝流程等，在碳基上是否能用？彭練矛院士給出的答案是：“使用率大約能達(dá)到80%-90%，但碳管材料的清洗、刻蝕等步驟需要特殊處理，碳管器件的模型需要單獨建立?！?/p>

目前解決了碳納米材料的純度、密度問題?！跋乱徊竭€需要確保材料的工藝穩(wěn)定性和均勻性，更重要的是和其他器件和IC制備的良好兼容性，這是一個綜合的事情?，F(xiàn)代芯片制備有上千個步驟，其中一步做不好，就沒有好的產(chǎn)品。最后是一個系統(tǒng)優(yōu)化的問題，材料、器件、芯片設(shè)計等密不可分?！迸砭毭f。

碳納米管未來有很好的應(yīng)用前景?！坝捎谔蓟馁|(zhì)的特殊性，它能讓電路做到像創(chuàng)可貼一樣柔軟，這樣的柔性器械如果應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域，將使患者擁有更加舒適的檢查體驗;在一些高輻射、高溫度的極端環(huán)境里，碳基材質(zhì)所制造出的機器入可以更好地代替人類執(zhí)行危險系數(shù)高的任務(wù);碳基技術(shù)若應(yīng)用到智能手機上，因其擁有更低的功耗，將使待機肘間延長?！睆堉居孪蛴浾呓榻B說。

5月26日，北京碳基集成電路研究院舉行成果發(fā)布儀式。TCl等幾家大企業(yè)的工業(yè)研究院相關(guān)人員也有到場，工業(yè)界關(guān)注的焦點是什么？“工業(yè)界還是關(guān)注技術(shù)何時能夠成熟到可以被使用，包括成本和可靠性等工程問題。”彭練矛表示，這本就是企業(yè)該做的。

而工業(yè)界很難在一項技術(shù)還沒看到投資回報時進(jìn)行投入，如果碳基技術(shù)想要工程化，需要北京碳基集成電路研究院成為碳基領(lǐng)域的“IMEC”。記者了解到，如果要繼續(xù)往前推進(jìn)，北京碳基集成電路研究院按照200人的規(guī)模，再加上實驗平臺，每年需要的資金約為2億元，并且需要確保十年以上的資金投入，約為20億元。但是直到現(xiàn)在，還沒有企業(yè)關(guān)注到該研究院的價值。

不久前，阿里巴巴宣布未來3年將投入2000億元來研發(fā)芯片、云操作系統(tǒng)等，而騰訊云宣布將投人5000億元進(jìn)行新基建相關(guān)技術(shù)的研發(fā)。在云計算的競爭越來越激烈的當(dāng)下，從云操作系統(tǒng)到芯片全線布局，正在成為越來越多的巨頭的選擇。目前阿里巴巴已經(jīng)有了“平頭哥”這家芯片公司，那么未來騰訊有沒有可能也會進(jìn)入芯片領(lǐng)域呢？如果有可能，期望中國的巨頭企業(yè)能夠看到這樣的信息，能夠關(guān)注到“碳基”集成電路的新機會。