迎战“碳基”时代

刘婉茹

从信息化到智能化，集成电路芯片的地位堪称“得芯片者得天下”，而芯片组成器件中，硅基CMOS器件占了足足九成。眼下，硅基CMOS技术已经走进了14纳米的技术节点。但在后摩尔阶段，其优势究竟能保持多久？IBM等企业认为，硅基芯片即将走向终点，微电子工业也将在7纳米技术节点时不得不放弃使用硅基材料。替代者是谁？碳基纳米材料——特别是碳纳米管和石墨烯，被公认为最佳潜力股。

为什么是碳基纳米材料？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，都使它备受青睐。IBM的系统计算展示出一组数据：硅基从7纳米到5纳米，芯片速度大约能提升20%；而同样在7纳米上，碳基芯片可以提速300%，相当于15代硅基技术的改善。2020年之前，5倍于当前硅基芯片速度的碳基芯片甚至也将成型。

可以说，与最初由于接触不良，性能远不及硅基器件的碳纳米管晶体管相比，经过了近20年的发展，碳基技术的出色令世界刮目相看。在碳纳米管电学接触上，北京大学彭练矛团队发现金属钪或钇可以和碳纳米管的导带形成理想欧姆接触，在此基础上首次制备出性能达到理想弹道极限的n型碳纳米管晶体管，被际半导体技术路线图（ITRS）选为性能最好的碳纳米管晶体管。这是碳纳米管电子型欧姆接触方面唯一的实验工作，钪也成为ITRs推荐的碳基器件中首选n型欧姆接触电极材料。

至于钇，他们还挖掘出另一重潜质：在适当条件下将其氧化，可以在碳基纳米材料上的大高质量连续氧化钇栅介质薄膜。这一介质层所创造的栅电容纪录至今仍未被打破，因此成为ITRS推荐的唯一碳基器件栅介质材料，被法国、美国等研究组用于构建包括高性能柔性电子器件在内的多种纳电子器件。

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个关键挑战。早期研究中，为了使空穴型碳纳米管转化为电子型半导体，最常见的方法就是掺杂钾元素。但钾掺杂属于吸附性掺杂，极不稳定，同时，碳纳米管完美的晶格结构为可控掺杂带来了极大困难。一着不慎，掺杂还将破坏这一完美结构，降低器件性能。2007年，彭练矛团队提出了“无掺杂”新理念：通过控制电极材料来达到选择性地向碳管注入电子或空穴，实现晶体管极性的控制。2008年，他们在实验室首次实现了碳管无掺杂高性能完美对称的CMOS电路的制备，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。而后，他们用比CMOS逻辑效率更高的传输晶体管逻辑设计并实现了纳米运算器所需的全部电路，將电路的驱动电压降至0.4V的水平。《自然》杂志认为，这种低功耗技术是追求基于碳纳米管晶体管计算技术的最重要的推动力之一。

2011年度中国科学十大进展中，“实现碳纳米管的高效光伏倍增效应”上榜。这也是由彭练矛团队完成的。他们在实现首个碳管发光和光电二极管基础上，发明了碳管级联光电池技术，在一根10微米长的碳管上实现了光电压的5倍增，获得了超过1V的光电压，进一步表明，在碳管上无需掺杂，仅需通过选择电极组合即可实现完美的电子和光电子器件集成。

经过十几年的努力，他们已经发展出一整套碳纳米管CMOS集成电路和光电器件的无掺杂制备新技术，成为下一代信息处理技术的强有力的竞争者，相关成果13次被写入ITRS，并获2013年高校自然科学奖一等奖、2016年度国家自然科学奖二等奖等。

2020年后的纳米电子学要如何走？碳基CMOS技术将为其带来颠覆性的变化，这也将影响到我国上万亿元的芯片及其上下游相关产业。相较欧美各国的大力投入，我国的相关布局无疑已经晚了一步。彭练矛团队希望能够尽快启动碳基集成电路的国家战略计划。让碳基纳米电子产业在中国开花结果，这才是他们的终极理想。