碳基半导体,能否穿越死亡谷?

碳基半导体,能否穿越死亡谷?2020-06-02 08:32:56 碳基半导体能穿越死亡谷吗?2020-06-02 08:09336058
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温|李嘉实

如果硅已经走到了尽头,那么全球半导体行业必须找到新的材料来“重生”2009年,半导体技术发展路线图委员会(ITRS)将碳基纳米材料纳入了延续摩尔定律的未来集成电路技术选项,但在接下来的时间里,碳纳米材料的研究进展并没有给业界一个令人满意的答案。

最近,中国科学院院士、北京大学电子系教授彭练矛和张志勇宣布,他们从实验室研究向碳基半导体技术产业化迈出了一大步。5月22日,该团队在《科学》杂志上发表了一篇《科学》的论文,介绍了多重纯化和尺寸受限自组装方法的最新进展。这种方法的结果激发了工业,因为它解决了长期困扰碳基半导体材料制备的问题。然而,从实验室到工业化还有很长的路要走。

高性能碳纳米管的重大飞跃

每种技术都有其生命周期。现有的硅基芯片制造技术即将达到极限。碳纳米管技术被认为是后摩尔技术的重要选择之一。

与传统的硅基CMOS晶体管相比,碳纳米管晶体管在速度和功耗上具有明显的综合优势。IBM的理论计算表明,如果完全按照现有的二维平面框架进行设计,碳纳米管技术在15代和至少30年内都优于硅基技术。斯坦福大学的系统级模拟显示,碳纳米管技术有望将传统的二维硅基芯片技术发展成三维芯片技术,将当前芯片的整体性能提高1000倍以上。

该行业对碳纳米管寄予厚望。在2017年TSMC IEDM会议上,TSMC首席技术官孙园报道了关于碳纳米管的新闻。

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但是碳管技术“有着完整的理想和强烈的现实感”。碳基在理论和模拟方面的理想价值已经让IBM和英特尔探索了很多年,但两者都遇到了瓶颈。2005年,英特尔的设备专家发表了一篇论文,结论是无法制备性能优于硅基N型晶体管的碳纳米管设备。此后,英特尔放弃了碳基集成电路技术。在技术路线上,IBM和英特尔选择了传统的“掺杂”工艺来制备碳纳米管晶体管。

彭练矛院士和张志勇团队于2001年进入该领域,选择了一条不同于英特尔IBM的道路,为碳纳米管互补金属氧化物半导体集成电路和光电器件开发了一整套“非掺杂制造技术”。2017年,一种栅极长度为5纳米的碳管晶体管首次问世,这是迄今为止世界上最小的高性能晶体管,其综合性能是当时最好的硅基晶体管的10倍,接近量子极限。关于这一成就的论文发表在2017年杂志《用于高性能电子学的高密度半导体碳纳米管平行阵列》上。

2018年,该团队再次突破传统理论极限,开发出超低功耗狄拉克源极晶体管的新原理,能够满足未来超低功耗集成电路的需求,为超低功耗纳米电子学的发展奠定基础。这篇论文发表在2018年的《科学》杂志上。

在《科学》杂志今年5月22日发表的一篇论文中,彭练矛院士和张志勇教授的团队阐述了他们在多重纯化和尺寸受限自组装方法方面的最新进展。该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99.99997%左右,密度范围为5纳米至10纳米,每微米100至200个碳纳米管。该材料基本上有可能被用作大规模集成电路。

论文发表后,杜克大学教授艾伦·富兰克林说,10年前他帮助IBM设定了碳纳米管的纯度和密度目标,当时很多人认为这是不可能实现的。现在,彭练矛和张志勇团队取得了突破,“这确实是一项了不起的成就,也是高性能碳纳米管晶体管的一大飞跃。”亚伦·富兰克林说。

北京碳基集成研究所的技术人员

对于院士团队取得的突破,元和浦华的执行合伙人、投资委员会主席陈大同表示:“彭院士对碳基半导体的研究无疑是一项具有远见卓识的世界级原创技术,在未来半导体材料和芯片领域将具有巨大的优势和机遇。”2019年,中国科学院微电子研究所所长叶在参观4英寸碳基半导体实验线时表示:“碳基半导体的研究和产业实践是中国第三代半导体产业不可或缺的重要组成部分。”

碳基半导体需要穿越“死亡谷”

世界的进步需要科学家不断发现新的物质规律和新的理论,但从一扇窗到一条新路的转变需要巨大创新链的共同努力。我们一直遵循基于硅的技术路线,中国科学家在碳硅碳棒线的理论和实验方面取得了世界级的突破。我们如何从实验室中的“123”,通过“死亡谷”中的“456”到工业化中的“789”?

玖富娱乐代理我仍然记得他们在2017年采访彭练矛院士和张志勇教授时的焦虑:从实验室到工业的颠覆性技术仍然需要通过工程学来研究。只有工程和成熟的技术才能被工业接管。

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北京碳基集成电路研究所于2018年9月正式注册成立。主办单位包括北京大学、中国科学院微电子研究所等机构。彭练矛院士是院长。业内人士都知道著名的比利时IMEC(大学间微电子研究中心)实验室最初是由政府投资的,现在80%的收入来自企业。这个顶级实验室为全球集成电路的发展做出了巨大贡献。包括英特尔、ARM、TSMC等许多行业巨头都是它的客户,这些巨头的新技术在进入大规模生产线之前,其新技术工程就交给IMEC来完成。碳基集成电路的发展也需要这样一种机制。目前,北京碳基集成电路研究所的目标是成为碳基集成电路产业的“IMEC”。

彭练矛对《科学》 玖富娱乐代理说:“北京碳基集成电路研究所希望在工程方向上不断进步,做技术成熟度从4到8的事情,最终将技术转移到企业。工业化和商业化必须由公司来完成,而研究机构进行技术的研究和开发。”

应该说,北京碳基集成电路研究所“多重纯化和尺寸限制自组装方法”的出现,使碳基技术从实验室走向产业化迈出了一大步。挑战和“死亡谷”是什么?

SMR首席分析师顾文军告诉《中国电子报》 玖富娱乐代理:“这非常令人兴奋,但是从纸张到新技术到产品再到商品还有很长的路要走,需要进一步的研发。目前,已经开发了许多新材料,包括氮化镓和碳化硅,但从长远来看,硅仍然难以替代。”半导体行业分析师韩认为,碳基是集成电路的重要发展方向之一,但目前愿意跟进产业生态的企业并不多。仍然需要进一步突破成本限制,在设备、装置和其他工艺方面建立成熟的标准工艺。就产品方向而言,它有望首先在与硅基芯片没有紧密结合的领域取得突破。

从实验室到工业化,中间“死亡谷”的“陷阱”和挑战是什么?在接受《中国电子报》 玖富娱乐代理的采访时,中国量子计算领域的初创公司fountainhead quantum的副总经理张辉表示,从科研产品到工业产品,面临的挑战包括资金的持续保障、观念的转变以及与现有行业的兼容性。“与现有行业的兼容性至关重要。如果现有的半导体产业能够借用其大部分的仪器、设备和工艺流程,将会大大加快后续产业的发展

目前,碳纳米材料的纯度和密度问题得到了解决。“下一步还需要确保工艺稳定性和材料的均匀性,更重要的是,与其他器件和集成电路制造的良好兼容性。这是一个全面的问题。现代芯片制备有数千个步骤。如果一步做得不好,就没有好的产品。最后,这是一个系统优化的问题。材料、器件和芯片设计密不可分。”彭练矛说。

碳纳米管在未来有很好的应用前景。“由于碳基材料的特殊性,它可以使电路像创可贴一样柔软。如果这种柔性仪器应用于医疗领域,患者将会有更舒适的检查体验。在一些高辐射和高温的极端环境中,由碳基材料制成的机器人可以更好地代替人类执行高风险因素的任务。如果将碳基技术应用于智能手机,待机时间将会因其较低的功耗而延长。”张志勇介绍给玖富娱乐代理。

5月26日,北京碳基集成电路研究所举行了发布结果的仪式。TCL等几家大型企业的工业研究所的相关人员也出席了会议。行业的焦点是什么?“行业仍然担心这项技术何时会成熟到可以使用,包括成本和可靠性等工程问题。”彭练矛说,这是企业应该做的。

在看到投资回报之前,行业很难投资一项技术。如果要设计碳基技术,北京碳基集成电路研究所需要成为碳基领域的“IMEC”。玖富娱乐代理了解到,如果我们要继续向前推进,北京碳基集成电路研究所每年将需要约2亿元的规模,基于200人和实验平台,它将需要确保10年以上的资本投资,约20亿元。但是直到现在,还没有一个企业重视研究所的价值。

不久前,阿里巴巴宣布将投资2000亿元研发芯片、云操作系统等。在接下来的三年里,腾旭云宣布将投资5000亿元研发新的基础设施相关技术。在对云计算的竞争越来越激烈的时候,从云操作系统到芯片的整体布局,越来越成为越来越多的巨头的选择。目前,阿里巴巴已经有了芯片公司“平头兄弟”。腾讯将来有可能进入芯片领域吗?如果可能的话,希望中国的大企业能够看到这样的信息,关注“碳基”集成电路的新机遇。

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