本文摘要：摘要近六十年来,以硅为核心材料的半导体技术,特别是CMOS集成电路技术推动了人类信息社会的深刻变革,但也逐渐接近其物理极限和工程极限,全球半导体产业已经进入后摩尔时代.半导体性碳纳米管具有高迁移率、超薄体等诸多优异的电学特性,因此成为后摩尔时代新型半导体材料
摘要近六十年来,以硅为核心材料的半导体技术,特别是CMOS集成电路技术推动了人类信息社会的深刻变革,但也逐渐接近其物理极限和工程极限,全球半导体产业已经进入后摩尔时代.半导体性碳纳米管具有高迁移率、超薄体等诸多优异的电学特性,因此成为后摩尔时代新型半导体材料的有力候选.基于碳纳米管的碳基电子技术历经二十余年发展,在材料制备、器件物理和晶体管制备等基础性问题中也已经取得了根本性突破,其产业化进程从原理上看已经没有不可逾越的障碍.因此,本文将着重介绍碳基电子技术在后摩尔时代的本征优势,综述碳基电子技术的基础性问题、进展和下一步的优化方向,及其在数字集成电路、射频电子、传感器、三维集成和特种芯片等领域的应用前景.最后,本文还将分析碳基电子技术产业化进程中的综合性挑战,并对其未来发展做出预测和展望.
关键词：碳纳米管,碳基电子技术,CMOS晶体管,集成电路
1引言：碳基电子技术的发展背景与历史机遇
20世纪40年代末,巴丁(Bardeen)、布拉顿(Brattain)和肖克利(Shockley)经过长时间的研究后发明了点接触型和结型晶体管,开启了半导体技术的研究浪潮;20世纪50年代末,基尔比(Kilby)和诺伊斯(Noyce)分别独立设计并制作了最早的集成电路,芯片技术的雏形得以问世;1960年左右,贝尔实验室和仙童半导体公司先后发明了硅基场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect-Transistor,MOSFET)和互补型金属氧化物半导体技术(ComplementaryMetalOxideSemiconductor,CMOS),MOSFET和CMOS随后成为了集成电路的基础单元并被使用至今.
至此,历经二十余年的早期探索,以集成电路为核心的硅基半导体技术才终于步入正轨并开始高速发展.依循摩尔定律和Dennard微缩定律这两个半导体技术的商业规律和技术理论,硅基集成电路的集成度和性能每隔18~24个月就翻一番,五十余年来不断推动着人类信息技术的蓬勃发展与深刻变革.
然而从2000年起,硅基晶体管的微缩难度不断增大,人们虽然引入了各种复杂的技术解决方案如应变硅(StrainedSi)技术、高k金属栅(high-kmetalgate)技术、鳍式晶体管技术(FinFET)和深紫外(DUV)乃至极紫外(EUV)光刻技术等等.但硅基晶体管的微缩速度却在持续降低、微缩收益也在逐渐收窄,硅基集成电路更是遇到了工艺上的瓶颈(频率瓶颈或功耗墙问题)和架构上的瓶颈(冯诺依曼架构的内存墙问题).
随着先进技术节点的艰难推进,硅基晶体管和集成电路也逐渐接近其物理极限和工程极限,全球半导体产业步入后摩尔时代[1,2].在后摩尔时代,虽然信息技术的基石—半导体产业面临着巨大的技术挑战和工程困难,但人类社会对数据计算能力和存储能力的需求却与日俱增.因此,半导体学界和业界在艰难发展硅基技术的同时,也越来越频繁地将其目光和精力放到新材料和新器件的探索中来,以求从根本上延续和拓展摩尔定律.在众多新型半导体材料中,碳纳米管(Carbon-Nanotube,碳管或CNT)由于其独特的准一维结构和优异的电学性质而受到了人们的高度重视.
国际半导体路线图委员会(ITRS)早在2009年就推荐碳纳米管作为延续摩尔定律的未来集成电路材料选择[2,3];美国国防部先进研究计划局(DARPA)在2018年启动的“电子复兴计划”(ERI)中,投入高达15亿美元的经费,希望从系统架构、电路设计和底层器件三个方面探索未来的集成电路技术,其中最大的项目就是支持相关学术团队和芯片制造企业开展碳纳米管集成电路技术的研究和产业化[4];国际商业机器公司(IBM)和台积电(TSMC)等企业的半导体研发团队近年来也在持续跟进碳纳米管电子技术[5,6].
对碳纳米管这一新型半导体材料的广泛关注和看好根源于其电子学应用上的材料器件本征优势,因而催生了一系列对材料、器件物理、加工工艺乃至集成技术的深入研究.自从1991年碳纳米管被发现以来[7],人们就对这种天然的纳米尺度准一维导体充满了兴趣,并深入系统研究了其材料特点.首先,碳纳米管可分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管,多壁碳管可视作由单壁碳管嵌套而成,由于单壁碳管与多壁碳管相比缺陷较少、结构简单、可控性好,而且半导体性比例高,因此碳基电子技术主要基于单壁碳管发展,下文所述碳纳米管一词也均默认为单壁碳纳米管.
其次,碳纳米管可以看作由二维的单层石墨烯沿特定方向卷曲而成的空心圆柱状准一维晶体,其卷曲方向决定碳管的手性从而决定其晶格和能带结构,其表面碳原子间的成键方式为sp2杂化.根据手性不同,碳纳米管还可分为半导体性和金属性的,这种电子性质的多样性使碳纳米管具有广泛的应用前景,包括晶体管、互联和传感等等,下文主要讨论半导体性碳纳米管.从碳纳米管的基本特性出发,人们归纳了其主要的电子学材料优势：
(1)碳纳米管的准一维结构大幅减小了其载流子的散射相位空间,因此具有较低的散射概率、较高的载流子迁移率和较长的平均自由程,是理想的低损耗甚至无损耗沟道材料;(2)碳纳米管的sp2杂化碳原子表面没有悬挂键,因此表面散射较弱,理论上可以兼容各种高k栅介质材料;(3)常见的碳纳米管直径仅为1~2nm,与体型半导体材料相比更容易受栅极调控,因此对短沟道效应的免疫能力较强;(4)碳纳米管的导带与价带在低能态下高度对称,电子与空穴具有相同的有效质量和迁移率,因此尤其适合用来制作CMOS集成电路.这些优势的具体表现将在下文深入讨论.
经过大量的早期探索,代尔夫特理工大学的Dekker等人和IBM的Martel等人终于在1998年分别独立制造出了第一个碳纳米管场效应晶体管(CNTFET)[8,9].然而,最早的碳管器件性能尤其是开态电流远逊于同时期的硅基晶体管,这是因为碳纳米管场效应晶体管本质上是一种肖特基场效应晶体管,当沟道长度小于其平均自由程时(即准弹道甚至弹道输运),源漏电流主要受碳管和接触电极之间的肖特基势垒决定.
而Dekker等人制造的碳管晶体管使用Pt或Au作为电极,接触势垒较大[8,9].因此,2003年AliJavey和DaiHongjie等人经过大量尝试,发现可通过使用高功函数的金属钯(Pd)作为碳纳米管的电极来得到无势垒P型欧姆接触的弹道晶体管,其室温下开态电导接近量子电导的理论极限,首次展现了碳纳米管晶体管的高性能优势[10].2007年,北京大学团队实现了以低功函数的金属钪(Sc)作为碳纳米管电极的N型欧姆接触弹道晶体管,其性能达到了P型碳纳米管晶体管的最好水准[11].这两个工作展示了碳纳米管在场效应晶体管和CMOS集成电路应用上的巨大性能潜力,自此以后碳纳米管电子学领域的主要研究工作也都集中在这两方面.
经过这些原始探索后,以碳纳米管场效应晶体管和CMOS技术为核心的碳基电子技术终于开始迅速发展,在材料、器件结构、加工工艺和系统集成方面不断突破,并在数字电路、射频电子、传感探测、三维集成和特种芯片等电子学应用中充分展现了其优势与特色.碳基电子技术正如硅基半导体技术一样,已经完成了丰富的早期探索、进行了系统的技术积淀、得到了大量的资助支持,成为了后摩尔时代的重要技术方向,甚至在逐步走向实用化和产业化.有鉴于此,本文将介绍碳基电子技术在后摩尔时代的本征优势,重点讨论碳基电子技术的基础性问题与进展,梳理碳基电子技术的应用场景与发展方向,最后分析碳基电子技术产业化进程中的综合性挑战,并展望碳基电子技术的未来前途.
2碳基电子技术在后摩尔时代的本征优势
作为现代信息技术的硬件基础,集成电路自二十世纪六十年代发展至今,已然成为了一个极其成熟又极其复杂的高技术产业.对于集成电路产业发展的著名预测—摩尔定律,也因面临芯片成本急剧上升的经济学阻碍和微纳加工原子极限的物理学阻碍而开始逐渐失效,集成电路产业进入了后摩尔时代.后摩尔时代电子技术的核心需求主要分成三个方向：即moreMoore、morethanMoore和beyondMoore或beyondCMOS.
在moreMoore方面,集成电路领域虽然有器件结构、沟道材料、互联导线、高k金属栅、工艺设备等多个研究方向,但业界的核心需求仍是CMOS器件的性能提高、功耗下降,并对晶体管和电路进行尺寸缩减.近20年来,人们为了获得更高的器件能效,设计了各式各样的晶体管结构,如鳍式晶体管(FinFET)、全耗尽型绝缘层上硅晶体管(FD-SOIFET)、GAA结构的硅纳米片晶体管(SiNanosheetFETorMBCFET)和硅纳米线晶体管(SiNanotubeFET)、二维材料晶体管(2DFET),以及本文所讨论的碳纳米管晶体管.
在晶体管层面,一种沟道材料是否具有应用潜力、是否值得研究,首先需要考虑其在高性能和低功耗方面是否存在材料本征优势.而相关理论、仿真和实验研究表明,碳纳米管具有较高的性能潜力,反映为其载流子的平均自由程较长(不同散射机制对应数十纳米到微米量级)、低场迁移率较高(1×105cm2/(Vs))、强场饱和速度是硅的四倍(4×107cm/s)、弹道注入速度超过硅的三倍(3×107~4×107cm/s)[14-16].这些特点有利于提高器件性能和电路速度,最新实验结果表明120nm栅长的碳纳米管晶体管电流密度在1V工作电压下可达1.18mA/μm、环振电路门延时可低至11.3ps[17],该结果超过了同尺寸的硅基器件性能,充分展示了碳纳米管的高性能潜力.其次,碳纳米管作为直径1nm左右的准一维超薄体,其本征量子电容较小,容易被栅极调控,因此其载流子屏蔽自然长度较小,有利于抑制晶体管的短沟道效应.综合来看,碳纳米管相比于体型半导体更易于降低器件的工作电压和能耗：
实验研究表明碳纳米管晶体管的工作电压甚至可降低到0.6V以下[18],动态功耗随之大幅降低;又由于碳纳米管的开态性能较高,在降低工作电压时,不需要降低阈值电压来弥补性能,理论上能有效抑制关态泄漏电流,降低静态功耗.以上特点使碳纳米管晶体管尤其符合现今集成电路产业功耗驱动的制程进化趋势(Power-DrivenTechnologyTransition).综上,碳纳米管晶体管理论上是一种兼顾高性能低功耗特性的器件,实验和计算结果表明其与传统晶体管相比具有5到10倍的综合能效优势,这种能效优势甚至能在亚10nm的实际物理栅长器件中得以保持[19].可以说,碳纳米管晶体管完全具备延续摩尔定律所要求的材料器件本征优势以及微缩潜力,是后摩尔时代moreMoore方向的重要技术路线.
3碳基电子技术的基础性问题与进展
碳纳米管作为直径只有1~2nm的准一维半导体,其独特的低维特性决定了其材料特性和器件物理都与传统半导体有所不同.本章将围绕着碳纳米管的材料制备,和碳纳米管晶体管的金半接触、栅极工程、双极性抑制技术,以及碳纳米管器件的集成工艺进行讨论,重点分析其中的基础性问题和技术挑战,最后回顾近年来碳纳米管晶体管的尺寸缩减和综合性能提升.
历经20余年发展,碳纳米管已然成为后摩尔时代中最具潜力、最受关注的新型半导体材料,碳基电子技术也显现出了其延续、扩展乃至超越摩尔定律的突出技术价值.在诸多碳基电子技术的基础性问题中,学界已经取得了根本性突破,如理想碳纳米管阵列材料的成功制备、无掺杂CMOS技术的发明等等.基于这些材料上和器件工艺上的进步,碳基电子技术还在多个应用领域中展示了其优势与特色,如高性能低功耗的碳基数字电路、高速碳基射频器件、超灵敏碳基传感平台和高能效多功能的碳基三维集成系统等等.
这些进展说明：碳基电子技术的产业化从原理上看已经没有不可逾越的阻碍,从技术上看有着充分的商业价值.当然,想要真正将碳基电子技术从学术界引入产业界和商业界,还需要对材料、器件结构和集成工艺做进一步优化,如提高金半接触稳定性、降低接触电阻及栅介质界面态、抑制器件双极性等等.综合来看,碳基电子技术的原理性优势凸显、工程性挑战与产业化挑战并存,需要加强产学研合作并借鉴成熟的硅基半导体经验,从而发展其标准化的材料制备、器件加工、电路设计和表征测试平台.
在目前全球芯片行业商业热情高涨但硅基技术发展却进入瓶颈期的大背景下,碳基电子技术为半导体领域提供了一个应对后摩尔时代挑战的可行技术方案,更是为我国提供了一次“换道超车”的机遇.结合碳基电子技术目前的发展态势,其很有可能在短期内实现碳基传感技术等高性能、中集成度的应用,在中长期实现碳基射频电子、特种芯片等高性能高集成度的应用,在完成足够的技术积淀以及产业迭代后实现技术复杂度最高、商业价值最大的超大规模碳基数字集成电路.
参考文献：
[1]HaenschW,NowakEJ,DennardRH,SolomonPM,BryantA,DokumaciOH,KumarA,WangX,JohnsonJB,FischettiMV2006IBMJ.Res.Dev.50339
[2]CavinRK,LugliP,ZhirnovVV2012Proc.IEEE1001720
[3]SemiconductorIndustryAssociation[2022-1-5]
作者：刘一凡1)张志勇1)†
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