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碳基半導體如何突破？
在過去的一半半個世紀中，半導體行業一直在追隨摩爾法的軌跡以高速發展。如今，簡單地通過升級過程來提高芯片性能的方法不能完全滿足時代的需求，半導體行業逐漸進入“摩爾時代後”。後摩爾時代的出現為中國集成電路行業的發展帶來了新的發展機會。中國電子新聞推出了一系列關於“在後摩爾時代探索集成電路的破壞性技術”的一系列報導，以解決集成電路的潛在破壞性技術。討論各技術的發展狀況，產業問題和未來前景。
隨著芯片製造過程接近2納米，基於矽基芯片材料的潛力基本上被挖掘，並且不能滿足行業未來發展的需求。新材料的使用被認為是芯片性能問題的基本解決方案。如果Moore的法律真正失敗，那麼逐漸接近物理限制的基於矽基芯片可能會處於沒有疑問的情況下。在這種情況下，將碳的半導體將是將向我們展示“新村”的場景的救主？在這個階段，碳基半導體如何擺脫實驗室的“玻璃室”，真正意識到他們的潛力仍然是關注的焦點和行業面臨的困難。
碳基半導體具有獨特的優勢
摩爾定做後半導體行業的“黃金法則”，矽基半導體芯片的性能每18至24個月。然而，隨著芯片尺寸繼續縮小，特別是當芯片製造技術的水平進入5納米節點時，矽芯片的開發開始面對許多物理限制，並且該行業已經逐漸出現了“摩爾的法律死亡”和“基於矽的技術已經結束了。“和其他觀點。基於碳的半導體被認為是後摩爾時代中的破壞性技術之一。
基於碳基半導體是基於碳基納米材料開發的半導體材料，由碳納米管（CNT）和石墨烯表示。 ITRS研究報告已明確指出，半導體行業的未來研究重點應專注於基於碳的電子產品。
為了繼續摩爾定律，研究人員繼續探索新材料和新的設備結構。與傳統的基於矽技術相比，碳的半導體有什麼優勢，吸引了無數科學研究人員“競爭”？
北京碳綜合電路研究所的技術人員以前告訴記者“中國電子新聞”，基於碳的技術具有比基於矽技術更好的性能和較低的功耗。例如，預期使用90納米工藝的碳基芯片產生具有與28納米技術節點相當於相當於28納米技術節點的矽基芯片，以及使用28納米工藝的碳基芯片可以實現矽基芯片相當於7納米技術節點。
集成電路研究所，CCID智庫的研究員Ma Yaobin將碳納米管作為一個例子，以向中國電子新聞表明記者有關碳基半導體的技術優勢。 “CNT（碳納米管）具有極高的載流子遷移率，非常薄的體尺寸和優異的導熱性。與硅基處理器相比，基於CNFET的處理器的操作速度和能量消耗均可具有約3％。兩個的優勢時間，即能量延遲產品（EDP）的優勢約為9次。“馬耀斌告訴記者。
石墨烯材料的使用也是碳基半導體的優點的強證。 Ma Yaobin指出，記者，石墨烯具有優異的特性，例如高載流子遷移率和良好的導熱性，這允許石墨烯晶體管獲得高信號傳輸速度和良好的散熱。未來，石墨烯有望在實現較小尺寸的芯片，3D封裝互連和優化芯片散熱方面發揮重要作用。
碳納米管技術的曙光
事實上，人們的追求和探索碳基半導體材料近年來尚未開始。使用新材料的碳納米管技術一直吸引了無數科學家的關注。 1991年，日本物理學家Sumio Iijima被當選為中國科學院的外國院士，當他使用高分辨率透射電子顯微鏡觀察由電弧法產生的碳纖維產品時意外地發現了碳納米管。根據他的觀察結果，碳納米管由以管狀形狀排列的碳分子製成，其可以被認為是捲成“圓柱”的單層石墨，其需要通過特殊的石墨棒（如石墨棒）製備方法。
2019年8月，碳納米管的研究結果再次成為每個程序員熟悉的“Hello，世界”字符串，每個程序員都是全球性感。在“自然”期刊上發表的論文顯示，美國馬薩諸塞州理工學院的Max Shulaker和他的同事設法設計並構建了碳納米管微處理器。該微處理器是使用14,000多個碳納米管（CNT）晶體管製造的16位微處理器。其設計和製造方法克服了與碳納米管相關的以前的挑戰，並且預期是先進微電子器件中的矽。帶來高性能的替代品。這種微處理器被命名為“RV16X-NANO”，並在測試中成功執行了一個程序，生成了消息：“你好，世界！我是由碳納米管製成的碳納米管。”
馬耀邦告訴記者，斯坦福大學和加州大學的研究人員也共同開發了頂級CNFET（碳納米管場效應晶體管），柵極長度為10nm，劃分為68mV / dec。
去年，中國科學院院士團隊和北京大學電子學院教授彭連茂教授張志勇對碳基半導體材料的主要研究成果也給了行業新的希望在後代時代。 2020年5月22日，該團隊在科學雜誌上發表了一篇論文的“高密度半導體碳納米管平行陣列”，介紹了團隊的多種淨化和尺寸約束的自組裝方法的最新發展。該方法解決了長度困擾碳基半導體材料的材料純度，密度和麵積的問題。
對碳基半導體的研究進展並不總是帆船。在“大浪”之後，一些機構和公司的研究已經停滯不前。早在2014年，IBM就發了大膽的言論，稱它會使用碳納米管生產芯片5倍，比2020更快地快5倍，但在研發中沒有進一步進展。
需要不同地開發基於碳和基於矽的電路
雖然由碳納米管和石墨烯代表的碳基半導體具有許多技術優勢，並且市場潛力顯而易見，仍有許多難以困難的碳基半導體的應用。
碳管不容易形成用於加工VLSI電路的薄膜。南京大學電子科學與工程學院萬慶教授對“中國電子新聞”的記者表示看來：如果是直接定向的增長，難以獲得高密度完美的半導體碳管膜;為滿足大面積（12英寸）納米規模非常大型集成電路技術的需求，大眾製造和產品產量可能成為挑戰。
萬清認為，儘管單一的碳基器件已經做得很好，但與硅集成電路相比，碳基半導體仍然存在納米級超大型集成和產業收益率的某些問題。就傳統的集成電路應用而言，碳管電路目前可能無法與硅基電路競爭，因此碳基半導體可能需要差異化。將來，預計在傳感和靈活的系統等新領域找到出路。
馬耀斌告訴記者，批量製備超高半導體純度（99.9999％），在線（方向角 <9°), high density (100-200/μm), and large-area uniform CNT array film currently exists. Difficulties, which hinder the rapid application of CNFET in the field of integrated circuits. "In terms of purity, the current prepared CNTs will have the symbiosis phenomenon of semiconductors and metal CNTs, and the appearance of metal CNTs will cause serious degradation of the electrical performance of devices and chips." Ma Yaobin said.
就石墨烯而言，Ma Yaobin表示，本徵石墨烯的零帶隙特徵使得石墨烯晶體管開關比非常小，這也將限制碳基半導體在邏輯電路中的應用。
從實驗室的“理想價值”到市場的大規模應用中，碳基半導體的工業化的道路長而困難。徐錚是北京交通大學科學學院教授告訴記者，“中國電子新聞”目前，碳基半導體材料已經實現了物理性質，但製造了設備，他們需要經歷很多過程拋光。 “技術實現和成本績效的保證是碳基半導體產業化的先決條件。”儘管存在困難和挑戰，但徐錚仍然充滿希望對碳的半導體未來。 “如果相關設備的開發水平得到改善，則碳基半導體行業可以通過工業化設備的支撐，可以實現碳的半導體，實現大規模和工業化的發展。”
在處理基於碳的半導體的漫長之旅中，行業需要培養內部技能並形成技術的系統積累。幾天前，彭連茂隊院士還表示願意為記者的低調做事。這可能能夠從一側解釋，如果基於碳的半導體行業是實現進一步的發展，該行業仍然需要專注於研發並落地。
隨著芯片製造過程接近2納米，基於矽基芯片材料的潛力基本上被挖掘，並且不能滿足行業未來發展的需求。新材料的使用被認為是芯片性能問題的基本解決方案。如果Moore的法律真正失敗，那麼逐漸接近物理限制的基於矽基芯片可能會處於沒有疑問的情況下。在這種情況下，將碳的半導體將是將向我們展示“新村”的場景的救主？在這個階段，碳基半導體如何擺脫實驗室的“玻璃室”，真正意識到他們的潛力仍然是關注的焦點和行業面臨的困難。
碳基半導體具有獨特的優勢
摩爾定做後半導體行業的“黃金法則”，矽基半導體芯片的性能每18至24個月。然而，隨著芯片尺寸繼續縮小，特別是當芯片製造技術的水平進入5納米節點時，矽芯片的開發開始面對許多物理限制，並且該行業已經逐漸出現了“摩爾的法律死亡”和“基於矽的技術已經結束了。“和其他觀點。基於碳的半導體被認為是後摩爾時代中的破壞性技術之一。
基於碳基半導體是基於碳基納米材料開發的半導體材料，由碳納米管（CNT）和石墨烯表示。 ITRS研究報告已明確指出，半導體行業的未來研究重點應專注於基於碳的電子產品。
為了繼續摩爾定律，研究人員繼續探索新材料和新的設備結構。與傳統的基於矽技術相比，碳的半導體有什麼優勢，吸引了無數科學研究人員“競爭”？
北京碳綜合電路研究所的技術人員以前告訴記者“中國電子新聞”，基於碳的技術具有比基於矽技術更好的性能和較低的功耗。例如，預期使用90納米工藝的碳基芯片產生具有與28納米技術節點相當於相當於28納米技術節點的矽基芯片，以及使用28納米工藝的碳基芯片可以實現矽基芯片相當於7納米技術節點。
集成電路研究所，CCID智庫的研究員Ma Yaobin將碳納米管作為一個例子，以向中國電子新聞表明記者有關碳基半導體的技術優勢。 “CNT（碳納米管）具有極高的載流子遷移率，非常薄的體尺寸和優異的導熱性。與硅基處理器相比，基於CNFET的處理器的操作速度和能量消耗均可具有約3％。兩個的優勢時間，即能量延遲產品（EDP）的優勢約為9次。“馬耀斌告訴記者。
石墨烯材料的使用也是碳基半導體的優點的強證。 Ma Yaobin指出，記者，石墨烯具有優異的特性，例如高載流子遷移率和良好的導熱性，這允許石墨烯晶體管獲得高信號傳輸速度和良好的散熱。未來，石墨烯有望在實現較小尺寸的芯片，3D封裝互連和優化芯片散熱方面發揮重要作用。
碳納米管技術的曙光
事實上，人們的追求和探索碳基半導體材料近年來尚未開始。使用新材料的碳納米管技術一直吸引了無數科學家的關注。 1991年，日本物理學家Sumio Iijima被當選為中國科學院的外國院士，當他使用高分辨率透射電子顯微鏡觀察由電弧法產生的碳纖維產品時意外地發現了碳納米管。根據他的觀察結果，碳納米管由以管狀形狀排列的碳分子製成，其可以被認為是捲成“圓柱”的單層石墨，其需要通過特殊的石墨棒（如石墨棒）製備方法。
2019年8月，碳納米管的研究結果再次成為每個程序員熟悉的“Hello，世界”字符串，每個程序員都是全球性感。在“自然”期刊上發表的論文顯示，美國馬薩諸塞州理工學院的Max Shulaker和他的同事設法設計並構建了碳納米管微處理器。該微處理器是使用14,000多個碳納米管（CNT）晶體管製造的16位微處理器。其設計和製造方法克服了與碳納米管相關的以前的挑戰，並且預期是先進微電子器件中的矽。帶來高性能的替代品。這種微處理器被命名為“RV16X-NANO”，並在測試中成功執行了一個程序，生成了消息：“你好，世界！我是由碳納米管製成的碳納米管。”
馬耀邦告訴記者，斯坦福大學和加州大學的研究人員也共同開發了頂級CNFET（碳納米管場效應晶體管），柵極長度為10nm，劃分為68mV / dec。
去年，中國科學院院士團隊和北京大學電子學院教授彭連茂教授張志勇對碳基半導體材料的主要研究成果也給了行業新的希望在後代時代。 2020年5月22日，該團隊在科學雜誌上發表了一篇論文的“高密度半導體碳納米管平行陣列”，介紹了團隊的多種淨化和尺寸約束的自組裝方法的最新發展。該方法解決了長度困擾碳基半導體材料的材料純度，密度和麵積的問題。
對碳基半導體的研究進展並不總是帆船。在“大浪”之後，一些機構和公司的研究已經停滯不前。早在2014年，IBM就發了大膽的言論，稱它會使用碳納米管生產芯片5倍，比2020更快地快5倍，但在研發中沒有進一步進展。
需要不同地開發基於碳和基於矽的電路
雖然由碳納米管和石墨烯代表的碳基半導體具有許多技術優勢，並且市場潛力顯而易見，仍有許多難以困難的碳基半導體的應用。
碳管不容易形成用於加工VLSI電路的薄膜。南京大學電子科學與工程學院萬慶教授對“中國電子新聞”的記者表示看來：如果是直接定向的增長，難以獲得高密度完美的半導體碳管膜;為滿足大面積（12英寸）納米規模非常大型集成電路技術的需求，大眾製造和產品產量可能成為挑戰。
萬清認為，儘管單一的碳基器件已經做得很好，但與硅集成電路相比，碳基半導體仍然存在納米級超大型集成和產業收益率的某些問題。就傳統的集成電路應用而言，碳管電路目前可能無法與硅基電路競爭，因此碳基半導體可能需要差異化。將來，預計在傳感和靈活的系統等新領域找到出路。
馬耀斌告訴記者，批量製備超高半導體純度（99.9999％），在線（方向角 <9°), high density (100-200/μm), and large-area uniform CNT array film currently exists. Difficulties, which hinder the rapid application of CNFET in the field of integrated circuits. "In terms of purity, the current prepared CNTs will have the symbiosis phenomenon of semiconductors and metal CNTs, and the appearance of metal CNTs will cause serious degradation of the electrical performance of devices and chips." Ma Yaobin said.
就石墨烯而言，Ma Yaobin表示，本徵石墨烯的零帶隙特徵使得石墨烯晶體管開關比非常小，這也將限制碳基半導體在邏輯電路中的應用。
從實驗室的“理想價值”到市場的大規模應用中，碳基半導體的工業化的道路長而困難。徐錚是北京交通大學科學學院教授告訴記者，“中國電子新聞”目前，碳基半導體材料已經實現了物理性質，但製造了設備，他們需要經歷很多過程拋光。 “技術實現和成本績效的保證是碳基半導體產業化的先決條件。”儘管存在困難和挑戰，但徐錚仍然充滿希望對碳的半導體未來。 “如果相關設備的開發水平得到改善，則碳基半導體行業可以通過工業化設備的支撐，可以實現碳的半導體，實現大規模和工業化的發展。”
在處理基於碳的半導體的漫長之旅中，行業需要培養內部技能並形成技術的系統積累。幾天前，彭連茂隊院士還表示願意為記者的低調做事。這可能能夠從一側解釋，如果基於碳的半導體行業是實現進一步的發展，該行業仍然需要專注於研發並落地。