探寻后摩尔时代 | 碳基半导体从材料突围

探寻后摩尔时代 | 碳基半导体从材料突围

随着芯片制造工艺逼近2纳米，硅基芯片材料的潜力已基本被挖掘殆尽，无法满足行业未来进一步发展的需要，启用新材料是公认的从根本上解决芯片性能问题的出路。碳基半导体作为一种潜在的颠覆性技术，其发展现状如何？又面临着哪些挑战？本文将为您详细解析。

碳基半导体的独特优势

遵循摩尔定律这一半导体业界的“金科玉律”，硅基半导体芯片的性能每隔18～24个月便会提升一倍。但随着芯片尺寸不断缩小，特别是当芯片制造工艺水平进入5纳米节点以后，硅芯片的发展开始面临很多物理限制，业内逐渐涌现出“摩尔定律已死”、“硅基技术走到尽头”等观点。碳基半导体被认为是后摩尔时代的颠覆性技术之一。

碳基半导体是一种在碳基纳米材料基础上发展的，以碳纳米管（CNT）、石墨烯为代表的半导体材料。ITRS研究报告曾明确指出，未来半导体行业的研究重点应聚焦于碳基电子学。

相比传统硅基技术，碳基技术具有更优的性能和更低的功耗。例如，采用90纳米工艺的碳基芯片有望制备出性能和集成度相当于28纳米技术节点的硅基芯片，采用28纳米工艺的碳基芯片则可以实现等同于7纳米技术节点的硅基芯片。

碳纳米管（CNT）具有极高的载流子迁移率、非常薄的主体尺寸和优良的导热性。基于CNFET处理器的工作速度和能耗相比于硅基处理器可均具有约3倍的优势，即9倍左右的能量延迟积（EDP）的优势。

石墨烯材料同样展现出显著优势。石墨烯具有载流子迁移率高和热导率好等优良特性，这使得石墨烯晶体管可获得高的信号传输速度和良好的散热性。未来，石墨烯有望在实现更小尺寸芯片、3D封装互连和优化芯片散热等方面发挥重要作用。

碳纳米管技术的研究进展

人们对碳基半导体材料的追逐与探索并不是近几年才开始的。1991年，日本物理学家饭岛澄男首次发现了碳纳米管。2019年，美国麻省理工学院的Max Shulaker团队成功研制出基于14,000多个碳纳米管的16位微处理器，命名为“RV16X-NANO”，并在测试中成功执行了一个程序，生成消息：“你好，世界！我是RV16XNano，由碳纳米管制成。”

然而，碳基半导体的研究进展并不总是一帆风顺。IBM在2014年曾提出要在2020年之前利用碳纳米管制备出比当时快5倍的芯片，但目前尚未有更进一步的研发进展。

面临的挑战与未来展望

尽管碳基半导体具备诸多技术优势，但在高质量、批量化制备和实际应用方面仍存在不少难点。例如，碳管要形成加工超大规模集成电路的薄膜并不容易，目前还难以获得高密度完美半导体碳管膜。此外，实现超高半导体纯度（>99.9999%）、顺排（取向角＜9°）、高密度（100～200/μm）、大面积均匀的CNT阵列薄膜的批量化制备也存在困难。

就石墨烯而言，其本征零带隙特征使得石墨烯晶体管开关比很小，这也会限制碳基半导体在逻辑电路上的应用。

从实验室的“理想值”迈向市场中的规模化应用，碳基半导体的产业化道阻且长。目前，碳基半导体材料已经实现了物理特性，但是要做成器件，还需要经历很多工艺的打磨。技术实现与性价比的保证是碳基半导体实现产业化的前提。如果相关设备发展水平提高，碳基半导体产业能够有工业化设备的支撑，碳基半导体是有可能实现规模化和产业化发展的。

在攻关碳基半导体这个漫长的征途中，业界需要修炼内功，并且形成体系化的技术积累。目前，相关研究团队仍需潜心研发，做到脚踏实地。