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【材料/设备】如果硅基走到了尽头,全球半导体产业“续命”的新材料是?

来源:中国电子报    原作者:李佳师    

如果硅基走到了尽头,那么全球半导体产业必须找到新的材料“续命”。2009年,半导体技术发展路线图委员会(ITRS)将碳基纳米材料列入延续摩尔定律的未来集成电路技术选项,但是在其后的时间里,碳纳米材料的研究进展并没有给业界交出满意答卷。

近日,中国科学院院士、北京大学电子学系教授彭练矛和张志勇教授团队宣布他们把碳基半导体技术从实验室研究向产业化应用推进了一大步。5月22日,该团队在《科学》(Science)杂志发表《用于高性能电子学的高密度半导体碳纳米管平行阵列》论文,介绍了其最新发展的多次提纯和维度限制自组装方法。由于解决了长期困扰碳基半导体材料制备的问题,这个方法的成果令业界振奋,但从实验室到产业化还必须经历漫长的路。

高性能碳纳米管的重大飞跃

每一种技术都有它的生命周期,现有的硅基芯片制造技术即将触碰其极限,碳纳米管技术被认为是后摩尔技术的重要选项之一。

相对于传统的硅基CMOS晶体管,碳管晶体管具有明显的速度和功耗综合优势。IBM的理论计算表明,若完全按照现有二维平面框架设计,碳管技术相较硅基技术具有15代、至少30年以上的优势。斯坦福大学的系统层面的模拟表明,碳管技术还有望将常规的二维硅基芯片技术发展成为三维芯片技术,将目前的芯片综合性能提升1000倍以上。

业界对碳纳米管寄予厚望,2017年在台积电IEDM大会上,台积电CTO孙元成就报告了关于碳纳米管的消息。

但碳管技术“理想很丰满,现实很骨感”,碳基在理论上和模拟层面的理想值曾让IBM和英特尔为此进行了很多年的探索,但是都遇到了瓶颈。2005年,Intel的器件专家发表论文,结论是无法制备出性能超越硅基n型晶体管的碳纳米管器件,其后Intel放弃了碳基集成电路技术。在技术路线上,IBM与英特尔都选择了传统的“掺杂”工艺制备碳纳米管晶体管。

彭练矛院士和张志勇团队在2001年进入该领域,选择了与英特尔IBM不同的另外一条路,发展了一整套碳纳米管CMOS集成电路和光电器件的“无掺杂制备技术”。在2017年首次制备出栅长5纳米的碳管晶体管这一世界上迄今为止最小的高性能晶体管,综合性能比当时最好的硅基晶体管领先10倍,接近了量子极限,该成果的论文发表在2017年的《科学》杂志上。

2018年,该团队再次突破了传统的理论极限,发展出新原理的超低功耗的狄拉克源晶体管,能够满足未来超低功耗集成电路的需要,为超低功耗纳米电子学的发展奠定了基础,该论文发表在2018年的《科学》杂志上。

在今年5月22日发表在《科学》杂志的论文上,彭练矛院士和张志勇教授团队阐述了其最新发展的多次提纯和维度限制自组装方法。这个方法解决了长期困扰碳基半导体材料制备的材料纯度、密度和面积问题,纯度达到了99.99997%左右,密度从5纳米到10纳米,每微米100根到200根碳纳米管,这个材料基本上具备了做大规模集成电路的可能性。

在此论文发表后,杜克大学教授Aaron Franklin说,10年前他帮助IBM公司确定了碳纳米管纯度和密度的目标,当时很多人认为这无法实现。现在彭练矛和张志勇团队实现了突破,“这确实是一项了不起的成就,是高性能碳纳米管晶体管的重大飞跃。”Aaron Franklin表示。

北京碳基集成电路研究院的技术人员向记者表示,碳基技术有着比硅基技术更优的性能和更低的功耗,性能功耗综合优势在5到10倍,这意味着碳基芯片性能比相同技术节点的硅基芯片领先三代以上。比如采用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。这为已经走在极限值边缘的全球半导体产业打开了另外一扇大门。

对于彭练矛院士团队的突破,元禾璞华管理合伙人、投委会主席陈大同表示:“彭院士团队对于碳基半导体的研究绝对是世界级原创性技术,具有前瞻性,未来在半导体材料和芯片领域有非常大的优势和机会。”2019年,中国科学院微电子所叶甜春所长在参观完4英寸碳基半导体实验线时曾表示:“碳基半导体的研究和工业化实践是中国第三代半导体产业中不可缺少的一个重要组成部分。”

碳基半导体需穿越“死亡谷”

世界的进步需要科学家不断发现新物质规律和新理论,但从一扇窗变成一条新路,需要庞大的创新链齐心协力。在硅基的技术路线上我们一直跟随,在碳基路线上中国科学家已经从理论和实验上实现了世界级的突破。接下来我们该如何从实验室的“123”,穿过“456”的“死亡谷”,进入到产业化的“789”呢?

记者还记得2017年采访彭练矛院士和张志勇教授时他们的焦虑:一个颠覆性技术,从实验室到产业界,中间还需要进行工程化研究,只有工程化、成熟化的技术,产业界才敢接手。

北京碳基集成电路研究院于2018年9月正式登记成立,它的发起单位有北京大学、中科院微电子所等多家单位,彭练矛院士担任院长。业内人士都知道著名的比利时IMEC(大学校际微电子研究中心)实验室,早期是由政府投资,现在其80%的收入来自企业,这个顶级的实验室对于全球集成电路发展做出了巨大贡献。包括英特尔、ARM、台积电等许多业界巨头都是它的客户,这些巨头的新技术在进入大规模生产线之前,其新技术工程化都交给IMEC来完成。碳基集成电路的发展同样需要这样的机构。目前来看,北京碳基集成电路研究院的目标是希望成为碳基集成电路产业的“IMEC”。

彭练矛对《中国电子报》记者表示:“北京碳基集成电路研究院希望能够在工程化方向上不断前进,做技术成熟度由4到8的事情,最终将技术转给企业。产业化和商业化的事情一定要由公司来做,研究院是做技术研发的。”

应该说,这次北京碳基集成电路研究院的“多次提纯和维度限制自组装方法”问世,将碳基技术从实验室向工业化推进了一大步,那么下一步还有哪些挑战,还有哪些“死亡谷”需要穿越?

行业分析人士对《中国电子报》记者表示:“这是很令人兴奋的事情,但是从论文到新技术再到产品到商品有很长的路要走,需要进一步加大研发。目前已经有很多新材料被研发出来,包括氮化镓、碳化硅等,但从长期来看,硅还是难以被取代的。”

半导体业内分析人士韩晓敏认为,碳基是集成电路重要发展方向之一,但是目前产业生态中愿意跟进的企业还不多。还需进一步突破成本限制,在设备和器件等工艺方面还需建立成熟的规范流程,在产品方向上,与硅基芯片结合不紧密的领域有望最先突破。

从实验室到产业化,中间的“死亡谷”有哪些“陷阱”和挑战?本源量子是中国一家量子计算领域的创业公司,本源量子副总经理张辉在接受《中国电子报》记者采访时表示,从科研品到工业品,其中面临的挑战包括资金的持续保证、理念的转变以及与现有产业的兼容等。“与现有产业的兼容至关重要,如果现有半导体产业从仪器、设备、工艺流程上可大部分借用,那么将大大提升产业跟进的速度。”他说。

事实上,硅基集成电路产业之所以有今天的丰富、成熟生态,每一个环节都投入巨大。英特尔每年的研发投入占销售收入超过20%,台积电过去5年的研发投入是3440亿元。也正是因为如此,产业链很难“弃硅另起炉灶”,所以兼容至关重要。

那么硅基生态链上相关技术与工艺设备流程,比如光刻机、软件设计工具、测试仪器、生产工艺流程等,在碳基上是否能用?彭练矛院士给出的答案是:“使用率大约能达到80%~90%,但碳管材料的清洗、刻蚀等步骤需要特殊处理,碳管器件的模型需要单独建立。”

目前解决了碳纳米材料的纯度、密度问题。“下一步还需要确保材料的工艺稳定性和均匀性,更重要的是和其他器件和IC制备的良好兼容性,这是一个综合的事情。现代芯片制备有上千个步骤,其中一步做不好,就没有好的产品。最后是一个系统优化的问题,材料、器件、芯片设计等密不可分。”彭练矛说。

碳纳米管未来有很好的应用前景。“由于碳基材质的特殊性,它能让电路做到像创可贴一样柔软,这样的柔性器械如果应用于医疗领域,将使患者拥有更加舒适的检查体验;在一些高辐射、高温度的极端环境里,碳基材质所制造出的机器人可以更好地代替人类执行危险系数高的任务;碳基技术若应用到智能手机上,因其拥有更低的功耗,将使待机时间延长。”张志勇向记者介绍说。

5月26日,北京碳基集成电路研究院举行成果发布仪式。TCL等几家大企业的工业研究院相关人员也有到场,工业界关注的焦点是什么?“工业界还是关注技术何时能够成熟到可以被使用,包括成本和可靠性等工程问题。”彭练矛表示,这本就是企业该做的。

而工业界很难在一项技术还没看到投资回报时进行投入,如果碳基技术想要工程化,需要北京碳基集成电路研究院成为碳基领域的“IMEC”。记者了解到,如果要继续往前推进,北京碳基集成电路研究院按照200人的规模,再加上实验平台,每年需要的资金约为2亿元,并且需要确保十年以上的资金投入,约为20亿元。但是直到现在,还没有企业关注到该研究院的价值。

不久前,阿里巴巴宣布未来3年将投入2000亿元来研发芯片、云操作系统等,而腾讯云宣布将投入5000亿元进行新基建相关技术的研发。在云计算的竞争越来越激烈的当下,从云操作系统到芯片全线布局,正在成为越来越多的巨头的选择。目前阿里巴巴已经有了“平头哥”这家芯片公司,那么未来腾讯有没有可能也会进入芯片领域呢?如果有可能,期望中国的巨头企业能够看到这样的信息,能够关注到“碳基”集成电路的新机会。

封面图片来源:拍信网