文章图片



文章图片



文章图片


1947年贝尔实验室演示了基于锗的半导体晶体管 ， 开启了信息时代的新篇章 。 紧随其后的硅晶体管在1954年问世 ， 很快就成为了集成电路技术的主流 。 历经60多年 ， “摩尔定律”已经被硅基芯片跑得奄奄一息 。 很多人开始提出疑问芯片是否应该在材料学上来一次“换道” ， 才能根本性地解决当下整个芯片产业的现状 。

在硅基芯片不断试图在单位面积内容纳下更多的晶体管来提高芯片的性能的时候 ， 人们一直也没有停下探索新材料的步伐 ， 碳的优越特性成为了最佳选择 ， 更为重要的是碳基芯片制造不需要经历硅基芯片抛光、光刻、蚀刻、离子注入等等一系列复杂工艺 。
什么是碳基芯片？我们都知道芯片中的晶体管就是半导体 ， 我们不妨来看看它的结构 。 栅极和沟道区域之间有一层高K节电材质（绝缘层） ， 通过施加在栅极的电压在沟道区域产生电场 ， 从而切断电流的流动 ， 控制沟道的导通和关断 。 栅极和沟道区域有一层绝缘层 ， 最早这层绝缘层是用二氧化硅来构成 ， 随着晶体管尺寸的缩小 ， 绝缘层就变得越来越薄了 ， 这样就可以通过更小的电压来控制电流 ， 从而降低能耗 。 但绝缘层太薄 ， 随之而来的就是量子隧穿效应 ， 电子能够轻易透过它 ， 所以后面就使用了具有较高介电常数的材料（比如二氧化铪）来作为绝缘层 。

碳基芯片是利用单个碳纳米管或者碳纳米管阵列作为沟道材料 ， 它允许电子从源极流到漏极 。 源极和漏极也不再掺杂硅 ， 而是改用特殊的金属 ， 利用金属与碳纳米管之间的结电压来制作晶体管 。 比如N型碳晶体管使用活性金属钪或钇来作为漏极 ， P型碳晶体管使用惰性金属钯作为源极 。

硅晶体管为了克服固有缺陷所以不得不朝着三维立体结构不断演化来克服量子隧穿效应 ， 而碳基晶体管一开始就是三维模型 ， 每一个碳纳米管的直径为1nm ， 它比硅基晶体管更容易实现更小尺寸 ， 而2nm或已经达到了硅晶体管的极限了 。 另外碳纳米管不管是电子的传导速度还是热传递性能都是硅的成百上千倍 ， 但功耗却是硅晶体管的十分之一 。

碳基芯片离商用还很远基于碳的N型半导体、P型半导体已经有了 ， 碳纳米管场效应晶体管也有了 。 在《自然》、《科学》杂志上也曾出现了多篇碳晶体管的论文 。 IBM为首的众多科研团队一直在研究碳纳米管技术 ， 2017年北大的科研团队最早实现5nm级碳晶体管元器件 。 为了推动碳纳米管电路的可行性MIT研究团队甚至发布了全球首个超过14000个碳纳米晶体管的通用计算芯片 。

实际上碳基芯片上世纪就已经提出来了 ， 并且被预言未来最终会取代硅基芯片 ， 但直到现在还没有实现 。 碳基芯片性能确实超越了同规格的硅基芯片 ， 但制作工艺还远远不如硅基芯片成熟 。 大家都是摸着石头过河的架势 ， 我国属于比较超前的位置 ， 一旦有所突破 ， 将来可能不是弯道超车 ， 而是直道超越 。 我国甚至将碳基材料纳入国家原材料工业“十四五”规划 ， 近几年更是涌现了很多碳基芯片相关企业 。

【芯片|碳基芯片性能确实优于硅基芯片但离商用还很远】