2020年之后的电子学：碳基电子学的机遇和挑战

彭练矛

2020年之后的电子学：碳基电子学的机遇和挑战

彭练矛

集成电路芯片是现代信息技术的基石。现代电子芯片组成器件中约90%源于硅基互补金属—氧化物—半导体（complementary metal oxide semiconductor，CMOS）器件。经过半个世纪的快速发展，硅基CMOS技术已经走到了 14纳米技术节点，即将进入10纳米节点，并将在2020年达到其性能极限。

硅基CMOS技术的局限

硅基CMOS技术的核心是高性能电子型和空穴型场效应晶体管（field effect transistor，FET）的制备，以及这两种互补场效应晶体管的集成。随着晶体管尺度的缩减，器件加工遇到越来越严重的技术障碍，最主要的问题集中于器件的加工精度和掺杂的均匀性。随着器件尺度的不断减小，场效应晶体管的源漏电极之间载流子通道的物理长度已减至10纳米以下，这时晶体管物理尺度的不确定性将不能忽略。同时，传统微电子器件的电学性质是通过控制向本征半导体材料的掺杂来进行调制的，当器件尺度达到纳米量级时，器件中杂质原子的数目将减少到十几或者更少，相应的统计误差将高达百分之几十。另外，纳米尺度导电通道中高强度的电场很容易诱发杂质原子的迁移，严重影响场效应晶体管电学性质的性能和稳定性。

目前，关于纳米尺度硅基场效应晶体管已有许多报道， 但是制备出这些小尺度的场效应晶体管并未表明纳米尺度器件的加工均匀性问题已得到解决，或者原则上可以解决。更为重要的是，器件尺度的缩减所带来的性价比红利正迅速变薄。随着微纳加工技术的发展，未来仍可能制备出物理尺度更小（例如5 nm）的器件，但是这些更小尺度器件的性能不一定更好，其制备成本也可能不降反升。无论这些问题的答案如何，按照目前微电子技术的发展速度，器件的物理尺度将在 2020年之前达到量子力学所允许的绝对极限。

国际半导体技术发展趋势

在 2015年度国际固态电路会议（International Solid-State Circuits Conference，ISSCC）上，英特尔（Intel）公司公布了新的10纳米技术方案以及在7纳米及以下如何继续保持摩尔定律的研究计划。为了实现7纳米工艺，英特尔认为必须采纳新的基础材料，10纳米工艺很有可能成为硅基芯片的终点。IBM公司也认为，微电子工业走到7纳米技术节点时将不得不面临放弃继续使用硅作为支撑材料。之后，非硅基纳电子技术的发展将可能从根本上影响未来芯片和相关产业的发展。IBM的系统计算表明，10纳米技术节点后碳纳米管芯片在性能和功耗方面都将比硅芯片有明显改善。例如从硅基7纳米技术到5纳米技术，芯片速度大约提升20%；而相比硅基 7纳米技术，碳纳米管基 7纳米技术的芯片速度将提升300%。IBM宣布，由碳纳米管构成的、速度是目前芯片5倍的芯片将于2020年之前成型。

长期以来，半导体工业的发展是以国际半导体技术路线图（International Technology Roadmap forSemiconductors，ITRS.http:// public.itrs.net）为导向的。2005年，ITRS委员会首次明确指出：在2020年前后，硅基CMOS技术将达到其性能极限。以 2020年作为时间节点，来自工业界和学术界的研究人员都在积极寻找硅的替代技术。然而，可供选择的名单并不多。

2007年，ITRS委员会认识到发展新型纳米器件的紧迫性。为了制定更详尽的半导体技术路线图，要求新兴研究材料工作组（Emerging Research Materials，ERM）和新兴研究器件工作组（Emerging Research Devices，ERD）推荐一两种最有前景的新兴材料和器件技术。在对所有的硅基CMOS替代技术——包括纳电子机械开关，集体自旋器件，自旋矩转移器件，原子开关，单电子晶体管，碳基纳电子学等进行考察、评估之后，工作组明确推荐碳基纳电子学（包括碳纳米管和石墨烯）作为可能在未来5～10年显现商业价值的下一代电子技术。

2020年是一个重要的时间节点，美国政府和公司为之做了系统规划。美国国家科学基金会（National Science Foundation，NSF）2008年专门启动了“超越摩尔定律的科学与工程”（Science and Engineering Beyond Moore’s Law，SEBML）项目，用以专门资助硅技术可能替代者的研究，其中碳基纳电子学研究被视为重中之重。此外，已执行了10余年的美国国家纳米技术计划（National Nanotechnology Initiative，NNI），除了通过常规途径继续对碳纳米材料和器件给予重点支持，还于2011年设立了“2020年后的纳米电子学”（Nanoelectronics for 2020 and Beyond）研究专项，每年专项资金高达上亿美元。欧盟各国政府与公司同样对碳基纳电子技术进行了重点支持，欧盟于2013年启动了“石墨烯旗舰计划”（Graphene Flagship），用以资助石墨烯及相关二维材料的研究，期望以此推动信息领域、通信领域的技术革命。

碳纳米管电子学的优势

碳纳米管具有极其优异的电学、光学、热学、磁学以及力学性能，是理想的纳电子和光电子材料。碳纳米管具有特殊的几何结构，使得费米面附近的电子态主要为扩展π态。由于没有表面悬挂键，表面以及碳纳米管结构的缺陷对扩展 π态的散射效应对电子在材料中的传输几乎没影响。室温下，碳纳米管中电子和空穴的本征迁移率均极高，超出了最好的硅基半导体材料。

通过控制结构，由碳纳米管可以得到金属管和半导体管。小偏压情况下，电子平均自由程可以达到几微米，由于典型的碳纳米管器件长度为几百纳米，器件中电子输运呈现完美的弹道输运特征。典型的金属性碳纳米管在室温下电阻率为10-6Ω·cm，性能优于最好的金属导体。

碳纳米管器件不仅具有优异的导电性能，其热导率也达到了6000瓦/毫开，远远优于最好的热导体。

另外，碳纳米管器件还能承受极高的电流上限，有非常好的高频响应，性能优于所有已知的其他半导体材料。

五大挑战及其解决途径

碳纳米管的主要潜在优势源于它拥有完美的结构、超薄的导电通道、极高的载流子迁移率和稳定性。然而，从理论与实验研究到工业应用，人们还面临着巨大的挑战。2009年，ITRS明确提出了碳纳米管电子学所面临的五大挑战。下面将对这五大挑战以及解决途径做一简单介绍。

能隙控制

由于具有很高的载流子迁移率以及具有弹道输运的特性，碳纳米管场效应管的相关应用成为研究焦点。单壁碳纳米管（single-walled carbon nanotube，SWCNT）要在CMOS技术中得到实际应用，首先要能生长出具有紧致能隙分布的半导体性 SWCNT。为了实现原位能隙分布控制，在生长过程中碳纳米管的直径和手征性必须得到严格控制。目前，几乎所有的生长技术中都会出现的金属性和半导体性SWCNT共存问题是制约碳纳米管电子学发展的瓶颈。纯半导体性SWCNT阵列的选择生长是面临的第一个技术挑战。

北京大学李彦课题组和美国杜克大学刘杰课题组多年来一直致力于SWCNT的可控生长研究，2009年两个课题组联合在单晶石英衬底上成功生长出完美排列的SWCNT阵列。拉曼光谱以及电学方面的相关测量证实，阵列中半导体性SWCNT的比例达到95%。最近，通过设计高温下稳定的催化剂并控制其和碳纳米管结构的匹配，李彦研究组在结构控制生长方面取得了突破性的进展，有望将其发展成为通用方法，以满足碳纳米管集成电路规模制备对于半导体纯度的要求。

碳纳米管位置、方向控制

要实现碳纳米管器件的工业应用，同样必须在材料生长过程中精确地控制碳纳米管的生长位置，并使碳纳米管严格地按器件设计所要求的方向排列。这个方向的研究在过去几年中取得了实质性的进展。利用传统的催化生长技术，在石英或蓝宝石表面可以图案化定位生长出排列整齐的SWCNT阵列，其管径大小由催化剂和碳管与基底相互作用共同决定，同时这些相互作用和基底的晶格取向决定了碳纳米管的生长方向。但通过这种方法生长的SWCNT阵列密度较低，一般每微米仅有10～50根SWCNT。2014年，北京大学张锦课题组发展了新的“特洛伊”方法，通过预处理将催化剂埋藏在基底，在碳纳米管生长过程中再将其释放，使得碳纳米管的密度高达每微米 130余根，达到了高性能器件设计的需要。

碳纳米管电学接触

1998年，荷兰德克尔（C. Dekker）研究组和美国IBM基础研究实验室同时报道了第一个碳纳米管晶体管，揭开了碳纳米管电子学研究的序幕。但最初的碳纳米管晶体管接触不好，性能远低于硅基器件。2003年美国斯坦福大学戴宏杰研究组首先采用金属铅（Pb）作为电极，制备出了性能接近理论极限的碳纳米管弹道空穴型器件。之后许多研究组尝试通过掺杂方法制备高性能电子型器件，但均告失败。特别是英特尔公司 2005年对所有纳米晶体管进行了定量比较，发现虽然碳纳米管空穴型器件性能远优于相应尺寸的硅基器件，但通过化学掺杂方法制备出的电子型器件性能远逊于硅基器件，半导体主流CMOS技术无法通过碳纳米管材料得以实现。英特尔随后在 2006年宣布放弃碳纳米管作为后硅技术的主要候选支撑材料，导致该领域许多研究者离开了碳纳米管，开始了对石墨烯电子学的探索。虽然相关研究取得了众多进展，但石墨烯材料没有能隙的先天弱势至今仍未得到解决，阻碍着石墨烯技术成为未来主流电子学技术。

我国研究人员为碳纳米管电子型晶体管制备难题的解决做出了基础性贡献。在系统研究了各种金属和碳纳米管接触性质的基础上，北京大学彭练矛研究团队发现金属钪（Sc）和钇（Y）可以和半导体性碳纳米管的导带形成完美的电子型欧姆接触。在此基础上，通过缩减沟道长度，研究团队首次制备出了碳纳米管弹道电子型晶体管，其性能逼近量子极限，在速度和功耗上均远超同等尺度的硅基器件。作为碳纳米管电子型欧姆接触方面唯一的实验工作，被连续三次写入2009年、2011年和2013年ITRS的“新兴研究材料”和“新兴研究器件”报告。

载流子浓度控制

纳米尺度器件中载流子浓度的控制是纳米电子学面临的又一关键挑战。一般氧化硅（SiO2）基底上的碳纳米管倾向表现为空穴型半导体。在碳纳米管CMOS器件的早期研究中，为了使空穴型碳纳米管转化为电子型半导体，最常见的方法是向碳纳米管掺杂钾（K）元素。然而碳纳米管完美的晶格结构虽然保证了材料具有极高的迁移率，但同时也给可控掺杂带来了极大困难。钾掺杂属吸附性掺杂，但这种掺杂很不稳定，而由于碳基纳米材料完美的晶格结构，替代性掺杂非常困难，目前尚无法实现几十纳米器件通道的可控和稳定掺杂。更为根本的是，掺杂将不可避免地破坏碳纳米材料的完美结构，增加散射，降低器件性能。

2007年彭练矛团队提出对于半导体性的碳纳米管可以通过控制电极材料实现向晶体管选择性注入电子或空穴，进而达到控制器件中载流子浓度和类型的目的。例如，采用高功函数金属铅作为接触电极，空穴可以被无势垒地注入碳纳米管的价带，器件呈现为空穴型；采用低功函数金属钪或者钇作为接触电极，电子可以被无势垒地注入碳纳米管的导带，器件呈现为电子型。基于此原理，可以完全放弃传统半导体工艺中通过化学掺杂来控制材料电学性质的核心理念，采用“无掺”方式实现高性能碳纳米管CMOS电子和光电器件。利用这种新理念和新技术，研究团队2008年首次成功制备出高性能的碳纳米管 CMOS电路，在同一根碳纳米管上实现了性能对称的电子型和空穴型器件的制备，且成型器件中电子和空穴的迁移率均达3000厘米2/（伏·秒），远远超过了硅基CMOS器件水平。

栅介质/界面

器件的工作速度与器件中的电流成正比，而场效应晶体管中沟道电流的控制是通过栅和沟道间的电容耦合来实现的。由于栅电容与栅介质的介电常数成正比，合适的高介电常数栅介质是实现高效能场效应晶体管的前提。自第一个CMOS集成电路问世以来，氧化硅一直是栅氧化层的首选材料。2007年，英特尔在 45纳米技术节点首次采用具有高介电常数的氧化铪（HfO2）取代氧化硅，极大地提高了CMOS器件的性能。虽然在硅基纳米材料中，氧化铪是合适的氧化层材料，但碳基纳米结构具有完美的晶格结构，由于缺少成核中心，传统的生成技术，如原子层沉积技术（atomic layer deposition，ALD无法在碳纳米结构表面生长出超薄氧化铪介电层。

彭练矛研究团队发现金属钇不仅可以和碳纳米管的导带形成完美欧姆接触，适当条件下将其氧化，还可在碳基纳米材料上得到高质量连续氧化钇（Y2O3）介质薄膜。集成了这种栅介质的碳纳米管电子型晶体管首次达到了关断特性（turn-off characteristic）的理论极限，其亚阈值摆幅在室温下达到了60毫伏/倍频程，被2013年 ITRS选为“国际上性能最好的碳纳米管晶体管”。氧化钇栅介质成为ITRS推荐的唯一碳基器件栅介质材料，被同时写入2011年ITRS的ERD和2011年、2013年的ERM报告中。

碳纳米管电子技术发展前景

经过半个世纪奇迹般的发展，硅基CMOS技术即将进入10纳米技术节点，并将在2020年之前达到其性能极限，后摩尔时代的纳电子科学与技术的研究变得日趋急迫。目前包括英特尔和 IBM在内的很多企业认为微电子工业走到7纳米技术节点时可能不得不面临放弃继续使用硅作为支撑材料。IBM研究人员系统层面的计算表明进一步缩减器件尺度，漏电流所造成的系统性能下降将超过由于缩减器件尺度所带来的速度等红利，系统整体性能将不升反降。在不多的几种候选材料中，碳纳米管材料是唯一可以通过减小器件直至5纳米技术节点而继续提高系统整体性能的材料，是后摩尔时代硅材料最有希望的替代材料。

高度成熟的硅基CMOS技术的保障是近乎完美的硅单晶材料的规模制备技术和精准的基于掺杂的性能调控技术。虽然自1993年单壁碳纳米管发现以来，碳纳米管可控制备技术已有了极大的发展，但是不论在碳纳米管的半导体纯度控制方面还是碳纳米管阵列的密度控制方面，距离成为理想的大规模集成电路制备用电子材料尚有一定距离。各种基于新的物理和化学方法的奇思妙想不断涌现，但文献报道的实验结果往往不可重复。碳纳米管技术与硅基CMOS技术不论加工、测试还是模拟均存有巨大差异，需要加强研究力量，寻找更加协调的方式来实现和高度成熟的硅基芯片设计技术的接轨。

2020年将是一个非常重要的时间节点。届时一旦有迹象表明可能形成后硅时代技术，将会对整个芯片产业的格局和发展产生重大影响。北京大学碳电子研究团队最新研究结果表明，在10纳米技术节点碳纳米管晶体管的速度和功耗均较硅基器件有10倍以上的优势，进入亚 10纳米技术节点后这种优势还将继续加大。2013年9月，美国斯坦福大学研究组在英国《Nature》周刊以封面文章的形式报道制造出了世界上首台由178个晶体管构成的碳纳米管计算机。2014年7月1日《MIT技术评论》报道，IBM宣布商业碳纳米管晶体管即将来临——由碳纳米管构成的比现有芯片快 5倍的芯片将于 2020年之前成型。基于碳纳米管的集成电路技术不再是遥不可及的梦想，现代信息科技与产业的支撑材料正加速从硅到碳进行转变。

我国的研究人员经过10余年的努力，在碳基纳电子学研究领域已做出原创性贡献，发展了一整套碳纳米管CMOS集成电路和光电器件的无掺杂制备新技术，成了下一代信息处理技术的强有力竞争者，相关成果被15次写入ITRS。特别是在2011年度ITRS的“新兴研究器件”报告中，和碳纳米管器件相关的9项进展，中国的研究进展占据了4项；2013年报告中的11项进展中，中国研究成果占据了3项。

由于碳基集成电路的研制是一个庞大的系统工程，涉及材料学、微纳加工技术、电子器件的设计和制备、系统集成等多个领域，传统的课题组自由研究模式难以满足碳基集成电路研制的需要。然而相较于美国、欧洲对碳基纳电子学的详尽规划和巨资投入，我国尚未有相应的碳基电子学国家战略。碳基CMOS技术属颠覆技术，未来10年的发展将可能影响到我国上万亿元的芯片及其上下游相关产业。为抢占这一未来半导体技术战略制高点，需要国家抓住机遇，尽快启动碳基集成电路的国家战略计划，力争使碳基电子能够在中国开花、结果，形成中国自己的碳基纳电子产业。♦

【作者单位：北京大学】

（摘自《科学》2016年第2期）

责任编辑：吴晓丽