碳基半导体:中国芯片产业发展新机遇
2020-10-16 07:33:56
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来源 全球技术地图

原创 碳基半导体课题组  

碳基半导体作为有可能继承硅基半导体,成为未来电子信息产业重要基础的新型半导体材料,其发展潜力值得科研和半导体从业人员对其进行深入挖掘。本文节选自《碳基半导体:中国芯片产业发展新机遇》报告,是碳基半导体系列的综述篇,对其发展的必然性和应用前景等大致状况进行了描述。

自进入信息时代以来,硅基半导体芯片性能持续飞速提升,为世界范围的网络化、数字化和智能化打造了坚实的硬件基础。但随着芯片制造工艺在纳米尺度逐渐逼近物理极限,硅基半导体芯片性能大幅跃升面临终结,寻找接替硅基的新型半导体材料成为保障芯片性能高速发展的候选项。科学研究发现,以碳纳米管为代表的碳基纳米材料具备独特的电学、力学和光学特性,同等工艺水平下制作的碳基芯片,在性能和功耗方面都将比硅基芯片有明显改善。碳基纳米材料成为半导体取得突破的可行方向之一。目前碳基半导体研究领域,我国基本与欧美保持在同一水平,在碳纳米管晶体管材料和制备研究方面甚至处于领先地位。碳基半导体为中国芯片产业发展带来新机遇。

一、碳基半导体是芯片产业发展的重要研究方向之一

半导体指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料,以硅材料为基础发展起来的半导体称为硅基半导体,以碳材料为基础的半导体则被称为碳基半导体。硅基半导体是当前集成电路乃至整个电子信息产业的基石。长久以来,硅基半导体芯片遵循摩尔定律的预测,芯片性能每隔18-24个月便会提升一倍。但随着芯片尺寸不断缩小,特别是工艺水平进入5纳米级以后,硅芯片发展开始面临更加突出的短沟道效应、强场效应、薄氧化层的隧穿效应和功率耗散增加等一系列材料、工艺、技术、器件和系统方面的物理限制,硅基半导体芯片快速提级提质已几乎走到尽头。

科学家经过艰辛探索,发现碳基材料具有优异的导电、导热、光学及机械性能,最有可能成为硅基半导体器件的替代型新材料。现有研究发现,同工艺下的碳基芯片性能比硅芯片领先至少3代,碳基90nm工艺制作的芯片就足以媲美硅基28nm工艺制作的芯片性能;而碳基28nm工艺完全有望媲美硅基7nm工艺。碳基半导体芯片在低精度制程工艺水平下即可达到先进制程工艺水平硅基芯片性能的特点,使碳基材料成为接替硅基半导体材料延续摩尔定律的重要候选。

二、碳基半导体的发展必然性与基础材料

(一)碳基半导体是芯片技术发展的必然尝试

近年来,国际上关于摩尔定律即将失效的判断越来越频繁。为维持硅基半导体芯片性能高速提升的势头,半导体领域的学者和工程技术人员从结构、工艺和材料三个方面寻找破局之道,虽然推出晶体管3D结构、异构集成架构、应变硅技术、硅基光电集成技术等新成果,但硅基半导体芯片性能提升效果逐渐下滑,即将达到物理和技术的“天花板”已是业界共识,寻找和转向新材料替代的呼声越发高涨。碳基半导体展现的优异性能,为芯片技术发展提供了新的机遇。

(二)碳基半导体基础材料

碳基半导体材料中最受关注的是碳纳米管和石墨烯。碳纳米管是由呈六边形排列的碳原子构成的管状晶体,具有许多优于硅材料的力学、电学和化学性能,是最有希望完成硅基替代的碳基材料。IBM的理论计算表明,若按照现有硅基芯片二维平面框架设计,碳纳米管技术相较硅基技术具有30年以上的优势。石墨烯则是从石墨材料中剥离出来,由碳原子组成的只有一层原子厚度的六角型蜂巢状二维晶体。石墨烯材料电子迁移率高、导热性好,能在较低温度和高频下进行稳定工作。石墨烯晶体管性能与碳纳米管晶体管相比存在很大差距,但石墨烯在柔性电子器件、优化芯片散热、三维集成电路、太赫兹频率器件和更小尺寸芯片等方向有望发挥重要作用。

三、碳基半导体对电子信息产业的意义

(一)碳基半导体有望使半导体行业获得整体提升

碳基半导体除应用于芯片外,还有望在其他电子设备的制造中施展拳脚。碳基半导体载流子迁移率高,可应用于射频器件的制造,提高射频器件的截止频率和最大振荡频率性能。石墨烯超薄且耐弯曲的特性使其可应用于柔性、透明电子设备的制造,推动显示设备性能提升。石墨烯和相关二维材料中的自旋电子学不断发展,也正推动石墨烯自旋电子器件实用化,有望用于空间通信、高速无线电链路、车辆雷达和芯片间通信应用领域的耦合纳米振荡器。随着技术的进步,碳基半导体的应用场景将日益多元化。

(二)碳基半导体或将为未来科技革命铺平道路

第四次科技革命将带来电子信息产业的再次爆发式增长。同时,对数据存储、处理和分析需求的增加,使得全球消耗在数据需求上的能源占比快速提升。硅基半导体芯片需提升芯片性能并降低能耗才有望支撑新一轮科技革命,但在受限于物理瓶颈,芯片难以继续微缩的状况下,大规模算力提升意味着数据处理所需的总能耗将呈指数增长,这是任何国家都无法承担的负荷。从能耗角度来看,硅基半导体难以负担第四次科技革命的期望,而碳基半导体有望接替硅基半导体完成这一历史使命,并为超低功耗的纳米电子学开展和未来超低功耗集成电路大规模应用创造条件。新的科技革命或将依托碳基半导体带来人类社会的又一次飞跃。

本文节选自《碳基半导体:中国芯片产业发展新机遇》报告,是碳基半导体系列的综述篇,仅对其发展的必然性和应用前景等大致状况进行描述。


作者简介

李鹏飞 国务院发展研究中心国际技术经济研究所研究五室,研究助理

研究方向:信息领域战略、技术和产业前沿

联系方式:lifei@drciite.org

张宇 国务院发展研究中心国际技术经济研究所研究一室,研究助理

研究方向:机器人、3D打印、工业互联网、高端装备制造等

联系方式:zhangy@drciite.org

武志星 国务院发展研究中心国际技术经济研究所研究三室,研究助理

研究方向:海洋、新材料领域战略、技术和产业前沿

联系方式:wuzhixing@drciite.org

唐乾琛 国务院发展研究中心国际技术经济研究所研究五室,研究助理

研究方向:信息领域战略、技术和产业前沿

联系方式:tangqc@drciite.org

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