尋找後摩爾時代的顛覆性技術:材料將是焦點中的焦點

尋找後摩爾時代的顛覆性技術:材料將是焦點中的焦點

1947年12月,美國貝爾實驗室的肖克利、巴丁和布拉頓組成的研究小組,研製出世界上第一隻鍺電晶體,結束了笨重的電子管時代。

進入到60年代以後,矽電晶體開始全面取代鍺電晶體,從此半導體的黃金時代全面開啟。

時隔60年之後,隨著主流製程工藝接近2nm、1nm,矽材料的生命週期接近極限,後摩爾時代來臨。

半導體技術的世代交替已經隱隱在望,那麼誰將會主宰後摩爾時代的技術走向呢?

超越矽材料

尋找後摩爾時代的顛覆性技術:材料將是焦點中的焦點

後摩爾時代的技術突破路徑已經有多種了,包括大熱門的chiplet/3D封裝,新興器件技術(自旋器件/量子)和新興架構(量子計算/神經形態計算)等。但世人期望最大的還是材料的突破,就像當年的矽材料橫空出世改變世界一樣。

近日,臺大、臺積電與麻省理工三方聯手發現了半金屬鉍(Bi)與二維材料的組合將有助於實現1nm以下的製程,讓材料的威力再一次顯露無疑。

縱觀近年來半導體領域的研究重點,新材料是無可爭辯的第一。有人做出統計,在2010-2020年全球近17萬篇半導體相關論文中,佔比最多之研究領域為材料科學(62,872篇論文,佔比37。23%)及應用物理(60,782篇,佔比35。99%)。

實際上,尋找矽材料替代者的工作就一直沒有間斷過。在上世紀90年代,憑藉更高的電子遷移率,砷化鎵(GaAs)一度被認為是矽材料最有力的接替者。但因製造工藝始終無法突破,砷化鎵終究還是沒能接過重任。

進入新世紀之後,材料學的發展突飛猛進,矽材料接替者的名單上增加了很多名字。其中,希望最大就是碳基半導體材料。

碳基半導體是一種在碳基奈米材料的基礎上發展出的,以碳奈米管,碳奈米纖維,奈米碳球、石墨烯等為主的材料,主要利用碳奈米管、富勒烯、石墨烯等特殊結構實現電晶體功能。

在碳基半導體材料中,首推碳奈米管(Carbon Nanotube ,縮寫為 CNT),這是一種直徑僅為 1 奈米,或十億分之一米的管狀奈米級石墨晶體。

根據IBM研究,10nm技術節點後碳奈米管晶片在效能和功耗方面都將比矽晶片有明顯改善。從矽基7nm到5nm技術,晶片速度大約提升20%,而相比矽基7nm技術,碳奈米管基7nm技術的晶片速度將提升300%。

來自北大彭練矛團隊的研究結果也有類似的結果,在14nm技術節點碳奈米管電晶體的速度和功耗均較矽基器件有10倍以上的優勢,進入10nm技術節點後這種優勢還將繼續加大。

稍顯尷尬的是,學術界發展了多種製備、提純、排列碳奈米管的方法,但是始終無法接近實用化區域。這使得碳奈米管電晶體和電路的實際效能遠低於理論預期,甚至落後於相同技術節點的矽基技術至少一個量級。

不過,突破也就在悄然間發生了。2019年,麻省理工學院馬克斯·舒拉克團隊開發出全球首款碳奈米管通用計算晶片RV16X-NANO。該微處理器晶片基於RISC-V指令集,在16位資料和地址上執行標準32位指令,所具有的電晶體數量超過1。4萬個,並採用行業標準流程和工藝進行設計和製造,可執行指令獲取、解碼、暫存器、執行單元和寫回儲存器等功能。

並且,舒拉克還在DARPA電子復興倡議(ERI)峰會上,展示了碳奈米管+RRAM透過ILV技術堆疊的3DIC晶圓,標誌著碳奈米管走向商業化和大規模應用已提上了議程。

另外一種非常具有潛力的材料就是石墨烯。石墨烯奈米帶的二維晶格結構具有高導電率、高導熱率和低噪聲,因為是一種非常理想的積體電路材料。

2008年IBM公司的Watson研究中心在世界上率先製成低噪聲石墨烯電晶體。透過重疊2層石墨烯,在層間生成了強電子結合,IBM成功控制了納米材料特有的1/f噪音。並且,IBM公司的Ming-YuLin的發現證明,2層石墨烯有望應用於各種各樣的領域。

相比於矽電晶體,石墨烯電晶體優勢在於其電晶體晶格高度穩定,即使在單碳原子厚度下還能穩定工作,而矽材料電晶體在10nm以下便會失去穩定性。美國IBM公司研究人員曾對石墨烯電晶體進行模擬模擬實驗。實驗結果表明,當石墨烯電晶體的柵極尺寸為150nm時,頻率可高達26GHz,而當這一尺寸縮小為50nm時,其頻率將突破1THz,這一資料遠高於現有的矽基電晶體。不過,晶體管制備上,石墨烯電晶體效能仍遜於碳奈米管電晶體。

除了碳基材料之外,多種多樣的化合物半導體材料也展示了強大的潛能。比如,奧地利維也納技術大學與歐盟石墨烯旗艦專案的科研人員就製造出一種由二硫化鉬(MoS2) 組成的電晶體,並用115個這樣的電晶體構成了一種新型柔性微處理器。諸如此類的報道還可以見到很多,足以說明化合物半導體的熱度之高。

還要提到的是,在全世界大熱的第三代半導體材料(GaN和SiC),雖然不能用在主流工藝上,但是也將在其他領域取代矽,因此也是一種替代者。

國家競賽與商業化

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材料的研究,一向被視為國家實力的象徵。

美國作為經濟技術發展強國,其材料領域全面發展、領跑國際。自奧巴馬政府以來,美國在國家層面上對新材料產業的發展提出多項計劃,包括材料基因組計劃、先進製造業國家戰略計劃、國家奈米計劃及國家制造業創新網路計劃,涉及奈米材料、先進材料及碳纖維複合材料等多個領域,強有力的政策支援及資本年投入,加之美國積累多年的材料產業巨頭、國際頂尖科研機構等優勢條件,使美國在新材料產業技術上全面發展,掌握眾多核心技術。

得益於強大的材料科技基礎,日本在全球高技術領域有著舉足輕重的地位,特別是在電子資訊材料、奈米材料、半導體材料、碳纖維複合材料、特種鋼等領域。同樣,韓國作為新材料產業技術的新晉優秀成員實力不容小覷。秉承“先驅者而非追隨者”的理念,韓國依託強大的科研團隊及諸如三星、LG等製造業巨頭,在顯示材料、儲存材料、石墨烯材料等領域保持著優勢地位。

在碳基半導體材料的研究上,美歐從2010年前後就投入了很多研發力量和資金支援。2009年,國際半導體技術發展路線圖委員會將碳基奈米材料列入延續摩爾定律的未來積體電路技術選項。美國國家科學基金會2008年專門啟動了“超越摩爾定律的科學與工程”專案,用以資助矽技術可能替代者的研究,其中碳基奈米電子學研究被視為重中之重。此外,已執行了十餘年的美國國家奈米技術計劃,除了透過常規途徑繼續對碳奈米材料和器件給予重點支援,還於2011年設立了“2020年後的奈米電子學”研究專項,每年專項資金高達上億美元。歐盟同樣對碳基納電子技術進行了重點支援,其於2013年啟動“石墨烯旗艦計劃”,用以資助石墨烯及相關二維材料的研究,期望以此推動資訊領域、通訊領域的技術革命。

與之相對,我國在碳基材料的研究上也不落人後。在2008年,北大彭練矛團隊就突破了n型碳奈米管制備這一跨世紀難題,創造性地研發出一整套高效能碳奈米管電晶體的無摻雜製備方法,並在2017年首次製備出柵長5nm的電晶體,同時證明了碳奈米電晶體可以在達到理論極限時克服短溝道效應

2019年,清華大學化學工程系魏飛教授團隊,實現在長度達到154mm後可實現99。9999%超長半導體管陣列的一步法制備。

2020年,彭練矛、張志勇團隊突破了半導體碳奈米管關鍵的材料瓶頸,且製備出的器件和電路在真實電子學表現上首次超過了矽基產品。

在石墨烯方面,國內的研究也屢有突破。2019年,中國科學院上海微系統與資訊科技研究所謝曉明團隊首次在較低溫度條件下采用化學氣相沉積外延成功製備6英寸無褶皺高質量石墨烯單晶晶圓,成功將外延生長石墨烯單晶的生長溫度從1000℃成功降低到750℃。

2019年,北京大學劉忠範院士與彭海琳教授聯合團隊循著外延襯底製備-石墨烯外延生長這一研究思路,首先製備了4英寸CuNi銅鎳合金單晶薄膜,並以其為生長基底實現了4英寸石墨烯單晶晶圓的超快速製備。

彭練矛在接受媒體採訪時就曾表示,我國的碳基半導體研究是代表世界領先水平的。與國外矽基技術製造出來的晶片相比,我國碳基技術製造出來的晶片在處理大資料時不僅速度更快,而且至少節約30%的功耗。

當前,碳基材料或其他新材料面臨的最大障礙還是來自於市場。行業人士就認為,新材料在嘗試融入現有供應鏈時面臨著懷疑和停滯。

負責澳大利亞聯邦科學與工業研究組織的物理學家Amanda Barnard2014年接受採訪時表示:“我們已經從全球矽晶片中獲得了數萬億美元的投資,我們還不會離開這塊利潤豐厚的領域。”

不過,隨著先進製程往下推進越來越艱難,新材料的局面正逐漸開啟,而其也為半導體技術帶來了新的機遇。正所謂“不破不立“,在半導體電晶體發明百年之後,新材料的出現將可能徹底改寫現代科技的面貌。(校對/Andrew)

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