碳基納米電子器件和集成電路分析

摘要：碳基納米材料以其在光電特性、耐熱性、耐輻射性、耐化學(xué)藥品特性等方面的優(yōu)越性得到了人們廣泛關(guān)注，積極探索碳基納米材料并將其科學(xué)、合理應(yīng)用到各領(lǐng)域中對促進各領(lǐng)域快速發(fā)展存在積極影響。文章則在既有研究成果分析基礎(chǔ)上，就碳基納米電子器件與集成電路研究現(xiàn)狀進行了探討，并對碳基納米電子器件與集成電路應(yīng)用表現(xiàn)進行了簡要闡述，同時點明其發(fā)展過程中存在的技術(shù)挑戰(zhàn)，包括性能方面的挑戰(zhàn)、成本方面的挑戰(zhàn)、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)方面的挑戰(zhàn)等，旨在為碳基納米技術(shù)深入研究提供指導(dǎo)，促進碳基納米技術(shù)優(yōu)化發(fā)展。

關(guān)鍵詞：碳基納米材料;電子器件;集成電路;半導(dǎo)體

一、引言

碳基納米材料是指分散相有一維或多維不超過100nm的碳材料，如碳納米管、碳納米纖維、石墨烯、納米碳球等。此類材料所含特性種類多，且多數(shù)特性較其他材料更具優(yōu)勢，故研發(fā)與應(yīng)用價值較高。就碳納米管為例，多數(shù)研究表示其是打破軌硅基集成電路極限，推動集成電路創(chuàng)新化、持續(xù)化發(fā)展的重要材料之一，是較為理想的電子輸送材料，在電子學(xué)領(lǐng)域、能源分析領(lǐng)域等具有廣闊發(fā)展前景。本研究則以碳基納米電子器件與集成電路為研究對象，就其研究現(xiàn)狀、應(yīng)用表現(xiàn)以及技術(shù)挑戰(zhàn)進行了簡要分析，具體如下。

二、碳基納米電子器件的研究現(xiàn)狀分析

碳基納米電子器件是碳基納米材料在電子學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的重要表現(xiàn)，為深入挖掘、了解、彰顯碳基納米材料在電學(xué)方面所具有的優(yōu)勢，關(guān)于碳基納米電子器件研究形成了較為豐厚的成果。例如，基于碳納米管的研究利用，研制出一種互補金屬氧化物半導(dǎo)體器件，該器件由P型晶體管與N型晶體管構(gòu)成，分別由Pd接觸與Sc接觸實現(xiàn)（圖1）。其中在柵長1μm，偏壓0.1V情況下，P型晶體管與N型晶體管均可達到2個量級開關(guān)比，亞閾值擺幅可達到90～100mV/dec，跨導(dǎo)放大器可達到14～17μS，門級延時約為2×10-11。又如，基于碳納米管的研究利用，研制出一種碳納米管場效應(yīng)晶體管，其性能幾乎與理論極限一致，高于當(dāng)時最優(yōu)硅基晶體3～10倍[1]。與此同時，該碳納米管場效應(yīng)晶體管柵長僅為5nm，載流子濃度較小，使用過程中耗能較低。

基于當(dāng)前碳基納米電子器件研究情況，對其技術(shù)優(yōu)勢進行歸納，具體表現(xiàn)在以下幾方面：

（1）效能高：目前碳基納米電子器件所引用的碳基納米材料主要為碳納米管。該材料是一種一維量子材料，具備重量輕、電容小、熱穩(wěn)定性高、比表大、載流子遷移率高等特征?；谔技{米管的電子器件，綜合性能更高，相對于傳統(tǒng)電子器件而言，性能功耗優(yōu)勢可達到5倍及以上，如應(yīng)用到集成電路領(lǐng)域，理論上性能功耗優(yōu)勢可達到50倍及以上。

（2）適應(yīng)力強：碳基納米材料具有較強的耐輻射特性、耐熱特性，故將碳基納米電子器件應(yīng)用到輻射強度較高或溫度變化較大的工作環(huán)境中仍可穩(wěn)定運行。說明碳基納米電子器件具有較強的環(huán)境適應(yīng)能力。有研究發(fā)現(xiàn)，碳基芯片可接受9Mrad輻照，可在-273℃～130℃環(huán)境中正常運行[2]。

（3）可操作性強：碳基納米材料機械性能、基地兼容性能較高，相關(guān)人員可利用碳基納米技術(shù)制造出形態(tài)多樣、功能多樣的電子器件，以滿足碳基納米電子器件在不同場景中的應(yīng)用需求，如透明電子芯片、瞬態(tài)電子芯片;傳感電器件、模擬電路器件、邏輯控制電路器件等。

（4）工藝流程短：碳基納米電子器件制備過程中，可采用簡短的工藝，在短時間內(nèi)制備出高效能期間。例如，采用傳統(tǒng)集成電路生產(chǎn)設(shè)備與簡單的加工技術(shù)，可在一般的工藝流程內(nèi)，生產(chǎn)出同等效能或更高效能的碳基集成電路。

（5）異構(gòu)集成性能高：碳基納米材料以及相關(guān)器件能夠克服溫度、能耗對三維異構(gòu)集成電路制備的阻礙。碳基納米電子器件的有效應(yīng)有利于三維集成電路實現(xiàn)。

三、碳基納米集成電路的研究現(xiàn)狀分析

集成電路是指在一定技術(shù)、方法、手段的科學(xué)應(yīng)用下將電路中所有元器件、導(dǎo)向集成到一塊或幾小塊組成的半導(dǎo)體晶片中。相對于傳統(tǒng)電路而言，集成電路體積更小、重量更輕、成本更低、性能更高。在信息化時代、互聯(lián)網(wǎng)時代、新媒體時代背景下，隨著大數(shù)據(jù)處理技術(shù)、人工智能技術(shù)、5G通信技術(shù)等高速發(fā)展與普及應(yīng)用，對集成電路的需求與要求不斷提高。硅基集成電路已經(jīng)無法滿足實際需求。這就需要積極探索新型集成電路，不斷改進、完善、優(yōu)化集成電路性能。碳基納米材料的興起則為集成短路創(chuàng)新與可持續(xù)發(fā)展提供了材料與技術(shù)支持，為芯片事業(yè)發(fā)展提供更多可能。例如，以DLSA自組裝理論、DNA納米自組裝理論為指導(dǎo)，能夠?qū)⑻技{米管溶液提純到99.9999%。同時，在制備過程中晶圓能夠和碳納米管溶液液面進行一維方向接觸，實現(xiàn)碳納米管以100～200根/μm的密度定向排列[3]。此外，碳納米管排列時，能夠?qū)⑷∠蚪桥c直徑控制分別控制在8°左右與（1.4±0.2）nm左右。該方法操作下得到的碳納米管可有效滿足碳基納米集成電路制備需求。

隨著對碳基納米管、碳基納米電子元件、碳基納米集成電路研究的不斷深入，碳基納米集成電路已經(jīng)從互補金屬氧化物半導(dǎo)體逐漸發(fā)展碳納米管計算機，碳基納米集成電路的性能始終在不斷提高。例如，Shulaker團隊在2013年、2014年、2018年、2019年相繼向世界展示了首臺由碳納米管場效應(yīng)晶體管、晶圓等材料構(gòu)件的碳納米管計算機;由硅基邏輯電路、電阻隨機存儲器、碳納米管邏輯電路組成的三維集成電路;碳納米管場效應(yīng)晶體管與電阻隨機存儲器構(gòu)成的超微計算納米系統(tǒng);以互補型金屬氧化物半導(dǎo)體為主要材料構(gòu)成的微處理器[4]。Shulaker團隊的研究充分證實碳基納米材料在集成電路研究中具有廣泛應(yīng)用價值，隨著碳納米管場效應(yīng)晶體管制備水平的不斷提高，碳基納米集成電路可實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)并應(yīng)用到多個領(lǐng)域中促進其科學(xué)化發(fā)展。

四、碳基納米電子器件與集成電路的應(yīng)用表現(xiàn)

隨著碳基納米電子器件與集成電路技術(shù)水平的不斷提高以及人們對其工作原理認(rèn)識的不斷加深，其應(yīng)用范圍不斷擴大，應(yīng)用價值日益提高。以下是碳基納米電子器件與集成電路較為常見的幾種應(yīng)用表現(xiàn)。

（一）數(shù)字集成電路

數(shù)字集成電路是目前信息系統(tǒng)應(yīng)用較為廣泛的集成電路，是基于數(shù)字邏輯設(shè)計進行數(shù)字信號處理的微信電子構(gòu)件，根據(jù)其規(guī)模大小可將其分為SSI電路、MSI電路、LSI電路、ULSI電路以及GSI電路。早期研究中多通過柵極調(diào)控方式制備具有簡單邏輯功能的SSI電路，后隨著碳納米管溶液提純水平的提高以及碳納米管陣列制備方法的日益成熟，高性能MSI、LSI、ULSI、GSI電路得以實現(xiàn)。例如，采用溶液離心提純方法制備高純度半導(dǎo)體性碳納米管溶液，形成碳納米管網(wǎng)絡(luò)薄膜，并制作成數(shù)字集成電路。

（二）光電集成電路

光電集成電路是將光功能器件、電功能器件等集成到單片上的電子器件或

將集成的光電子元件引入到電路中形成的電子器件。在光電信號處理中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。將碳基納米材料應(yīng)用到光電集成電路中可獲取超出傳統(tǒng)材料的效果。以往所用半導(dǎo)體材料受材料本身特性影響，很難和光功能器件集成應(yīng)用到單片中，而碳基納米材料具有較好的光學(xué)特性，就碳納米管而言，屬于直接帶隙半導(dǎo)體，能夠制備高性能電致發(fā)光、光致發(fā)光器件，滿足光電集成電路需求。將碳納米管溶液提純處理后制備成半導(dǎo)體碳納米管薄膜，利用該材料制備的電子器件能夠?qū)崿F(xiàn)光伏倍增。此外，采用集成技術(shù)將碳納米管互補金屬氧化物半導(dǎo)體和光電器件相結(jié)合，利于高性能光電集成電路平臺開發(fā)。

（三）電化學(xué)傳感器

碳基納米材料的諸多特性決定其在傳感器研發(fā)領(lǐng)域具有較高應(yīng)用價值，能夠滿足不同場景對傳感器設(shè)計與實用的需求，從而讓碳基納米材料技術(shù)以傳感器為媒介在眾多領(lǐng)域中發(fā)光發(fā)熱。例如，在氣體環(huán)境中碳納米管對氧氣、氮氣、二氧化氮、一氧化碳等具有較高敏感性，根據(jù)這一特征可利用碳納米管制備向相應(yīng)傳感器，用以識別與判斷現(xiàn)實環(huán)境中的氣體類型與濃度。又如，碳基納米材料電化學(xué)活性優(yōu)異，能夠與某些物質(zhì)電化學(xué)行為產(chǎn)生較好的催化效應(yīng)，加之碳基納米材料粒徑小，適應(yīng)能力強，以此作為電化學(xué)傳感器電極材料，可有效提高電化學(xué)傳感器性能，推動其在環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療健康監(jiān)測、食品安全檢測等方面的有效應(yīng)用。圖2則是基于碳基納米材料應(yīng)用的電化學(xué)傳感器在健康信息監(jiān)測中的應(yīng)用，傳感器安裝到牙齒中，搜集口腔內(nèi)唾液信息，通過唾液成分檢測，實現(xiàn)疾病有效識別與診斷。

（四）碳基射頻器件

射頻器件屬于無線通信裝置基礎(chǔ)構(gòu)件，側(cè)重于二進制信號、無線電磁波信號、電磁波信號之間的有效轉(zhuǎn)換?；诮┠隉o線通信事業(yè)的高速發(fā)展，對射頻器件提出了更高要求。因此，加強射頻器件研究具有非常重要的現(xiàn)實意義。碳基納米材料由于電容較小、遷移率較高，在射頻器件性能改進方面具有較強優(yōu)勢。例如，以金屬鋁為底柵電極，將高純度碳納米管溶液置于鋁表面的氧化層表面，通過碳納米管與金屬的沉積接觸，制備碳基射頻器件，提高射頻器件截止頻率。又如，以石英為襯底材料，采用陣列碳納米管晶體管制備射頻器件，能夠?qū)⑵浔菊鹘刂诡l率提高30～120GHz。

（五）智能集成系統(tǒng)

碳基納米材料除具備優(yōu)秀的電學(xué)性能外，也具備較好的力學(xué)性能、光學(xué)性能，這使其在柔性電子器件制備中具有廣闊應(yīng)用前景。目前，基于碳基納米材料的柔性電子器件除柔性壓力傳感系統(tǒng)外，也有柔性可穿戴化學(xué)傳感系統(tǒng)、柔性智能化集成傳感系統(tǒng)等。就柔性可穿戴化學(xué)傳感系統(tǒng)而言，能夠在無創(chuàng)或微創(chuàng)前提下對人體組織液進行檢測，根據(jù)人體組織液蘊含的信息，評估人體健康狀況。

五、碳基納米電子器件與集成電路的技術(shù)挑戰(zhàn)

（一）性能挑戰(zhàn)

碳基納米電子器件雖然具有較強的環(huán)境適應(yīng)能力，但在未封裝條件下，容易受多因素影響發(fā)生性能改變問題，從而降低碳基納米電子器件使用穩(wěn)定性、可靠性、安全性。與此同時，集成電路，尤其是大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路系統(tǒng)，對均一性具有較高要求。目前所掌握的碳基納米集成電路技術(shù)，尚不能很好地兼顧集成電路所有性能，在一定程度上制約了碳基納米集成電路均一性提高。因此，在未來研究中需要給予碳基納米電子器件與集成電路穩(wěn)定性、均一性高度重視，不斷攻克性能難關(guān)。

（二）成本挑戰(zhàn)

碳基納米電子器件與集成電路制備的關(guān)鍵在于碳納米管陣列薄膜制備，而要想實現(xiàn)碳納米管陣列薄膜大規(guī)制作產(chǎn)，需要解決性能、工藝、成本之間的矛盾。目前，碳納米管溶液的提純率可達到99.9999%以上，密度可達到200根/μm左右，能夠基本滿足大規(guī)模集成電路需求，但要想獲得穩(wěn)定的高效能超大規(guī)模集成短路，碳納米管溶液的純度需要繼續(xù)提高2到3各級別。就目前工藝而言，要想達到這一要求需要投入更高的成本，花費更多的時間。這導(dǎo)致碳基納米電子器件與集成電路產(chǎn)量降低。因此，如何實現(xiàn)碳基納米電子器件與集成電路大規(guī)模低成本制作是我們需要面臨的一個挑戰(zhàn)。

（三）標(biāo)準(zhǔn)挑戰(zhàn)

電子器件、集成電路不通，對碳基納米材料的要求也不同。要想促進碳基納米電子器件與集成電路穩(wěn)定、健康、長久發(fā)展，必須加強相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)建立。例如碳納米管半導(dǎo)體純度標(biāo)準(zhǔn)、碳納米管長度分布標(biāo)準(zhǔn)、集成電路襯底材料選用標(biāo)準(zhǔn)等。但目前，關(guān)于碳基納米電子器件與集成電路的標(biāo)準(zhǔn)體系尚未有效建立。對此，在未來發(fā)展過程中，需要加強此方面的研究力度，積極、科學(xué)構(gòu)建規(guī)范化工藝流程與電子器件制作標(biāo)準(zhǔn)。

六、結(jié)束語

碳基納米材料特在軟硬度、光學(xué)特性、電學(xué)特性、表面特性等方面的優(yōu)勢較其他材料更加顯著，這導(dǎo)致其在光電器件領(lǐng)域、傳感器件領(lǐng)域、柔性智能系統(tǒng)領(lǐng)域等發(fā)展中具有較高應(yīng)用價值與較大發(fā)展空間。且隨著近些年碳基納米電子器件與集成電路研究的不斷深入，已取得一定成就，為集成電路可持續(xù)創(chuàng)新發(fā)展提供了材料與技術(shù)支撐。但值得注意的是，碳基納米電子器件和集成電路在實際應(yīng)用中也存在諸多挑戰(zhàn)，我們應(yīng)對其給予清晰、正確認(rèn)知，從而能夠根據(jù)發(fā)展現(xiàn)狀與形勢，加強研究，不斷優(yōu)化與完善相關(guān)技術(shù)，推動碳基納米電子器件和集成電路優(yōu)化發(fā)展。

作者單位：常超" " 香港城市大學(xué)

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