如果硅基走到了盡頭,這或許是全球半導體產業“續命”的新材料

發布時間:2020-06-16 瀏覽次數:1765 次

如果硅基走到了盡頭,那么全球半導體產業必須找到新的材料“續命”。2009年,半導體技術發展路線圖委員會(ITRS)將碳基納米材料列入延續摩爾定律的未來集成電路技術選項,但是在其后的時間里,碳納米材料的研究進展并沒有給業界交出滿意答卷。

近日,中國科學院院士、北京大學電子學系教授彭練矛和張志勇教授團隊宣布他們把碳基半導體技術從實驗室研究向產業化應用推進了一大步。5月22日,該團隊在《科學》(Science)雜志發表《用于高性能電子學的高密度半導體碳納米管平行陣列》論文,介紹了其最新發展的多次提純和維度限制自組裝方法。由于解決了長期困擾碳基半導體材料制備的問題,這個方法的成果令業界振奮,但從實驗室到產業化還必須經歷漫長的路。

高性能碳納米管的重大飛躍

每一種技術都有它的生命周期,現有的硅基芯片制造技術即將觸碰其極限,碳納米管技術被認為是后摩爾技術的重要選項之一。

相對于傳統的硅基CMOS晶體管,碳管晶體管具有明顯的速度和功耗綜合優勢。IBM的理論計算表明,若完全按照現有二維平面框架設計,碳管技術相較硅基技術具有15代、至少30年以上的優勢。斯坦福大學的系統層面的模擬表明,碳管技術還有望將常規的二維硅基芯片技術發展成為三維芯片技術,將目前的芯片綜合性能提升1000倍以上。

業界對碳納米管寄予厚望,2017年在臺積電IEDM大會上,臺積電CTO孫元成就報告了關于碳納米管的消息。

但碳管技術“理想很豐滿,現實很骨感”,碳基在理論上和模擬層面的理想值曾讓IBM和英特爾為此進行了很多年的探索,但是都遇到了瓶頸。2005年,Intel的器件專家發表論文,結論是無法制備出性能超越硅基n型晶體管的碳納米管器件,其后Intel放棄了碳基集成電路技術。在技術路線上,IBM與英特爾都選擇了傳統的“摻雜”工藝制備碳納米管晶體管。

彭練矛院士和張志勇團隊在2001年進入該領域,選擇了與英特爾IBM不同的另外一條路,發展了一整套碳納米管CMOS集成電路和光電器件的“無摻雜制備技術”。在2017年首次制備出柵長5納米的碳管晶體管這一世界上迄今為止最小的高性能晶體管,綜合性能比當時最好的硅基晶體管領先10倍,接近了量子極限,該成果的論文發表在2017年的《科學》雜志上。

2018年,該團隊再次突破了傳統的理論極限,發展出新原理的超低功耗的狄拉克源晶體管,能夠滿足未來超低功耗集成電路的需要,為超低功耗納米電子學的發展奠定了基礎,該論文發表在2018年的《科學》雜志上。

在今年5月22日發表在《科學》雜志的論文上,彭練矛院士和張志勇教授團隊闡述了其最新發展的多次提純和維度限制自組裝方法。這個方法解決了長期困擾碳基半導體材料制備的材料純度、密度和面積問題,純度達到了99.99997%左右,密度從5納米到10納米,每微米100根到200根碳納米管,這個材料基本上具備了做大規模集成電路的可能性。

在此論文發表后,杜克大學教授Aaron Franklin說,10年前他幫助IBM公司確定了碳納米管純度和密度的目標,當時很多人認為這無法實現?,F在彭練矛和張志勇團隊實現了突破,“這確實是一項了不起的成就,是高性能碳納米管晶體管的重大飛躍?!盇aron Franklin表示。

北京碳基集成電路研究院的技術人員向記者表示,碳基技術有著比硅基技術更優的性能和更低的功耗,性能功耗綜合優勢在5到10倍,這意味著碳基芯片性能比相同技術節點的硅基芯片領先三代以上。比如采用90納米工藝的碳基芯片有望制備出性能和集成度相當于28納米技術節點的硅基芯片;采用28納米工藝的碳基芯片則可以實現等同于7納米技術節點的硅基芯片。這為已經走在極限值邊緣的全球半導體產業打開了另外一扇大門。

對于彭練矛院士團隊的突破,元禾璞華管理合伙人、投委會主席陳大同表示:“彭院士團隊對于碳基半導體的研究絕對是世界級原創性技術,具有前瞻性,未來在半導體材料和芯片領域有非常大的優勢和機會?!?019年,中國科學院微電子所葉甜春所長在參觀完4英寸碳基半導體實驗線時曾表示:“碳基半導體的研究和工業化實踐是中國第三代半導體產業中不可缺少的一個重要組成部分?!?

碳基半導體需穿越“死亡谷”

世界的進步需要科學家不斷發現新物質規律和新理論,但從一扇窗變成一條新路,需要龐大的創新鏈齊心協力。在硅基的技術路線上我們一直跟隨,在碳基路線上中國科學家已經從理論和實驗上實現了世界級的突破。接下來我們該如何從實驗室的“123”,穿過“456”的“死亡谷”,進入到產業化的“789”呢?

記者還記得2017年采訪彭練矛院士和張志勇教授時他們的焦慮:一個顛覆性技術,從實驗室到產業界,中間還需要進行工程化研究,只有工程化、成熟化的技術,產業界才敢接手。

北京碳基集成電路研究院于2018年9月正式登記成立,它的發起單位有北京大學、中科院微電子所等多家單位,彭練矛院士擔任院長。業內人士都知道著名的比利時IMEC(大學校際微電子研究中心)實驗室,早期是由政府投資,現在其80%的收入來自企業,這個頂級的實驗室對于全球集成電路發展做出了巨大貢獻。包括英特爾、ARM、臺積電等許多業界巨頭都是它的客戶,這些巨頭的新技術在進入大規模生產線之前,其新技術工程化都交給IMEC來完成。碳基集成電路的發展同樣需要這樣的機構。目前來看,北京碳基集成電路研究院的目標是希望成為碳基集成電路產業的“IMEC”。

彭練矛對《中國電子報》記者表示:“北京碳基集成電路研究院希望能夠在工程化方向上不斷前進,做技術成熟度由4到8的事情,最終將技術轉給企業。產業化和商業化的事情一定要由公司來做,研究院是做技術研發的?!?

應該說,這次北京碳基集成電路研究院的“多次提純和維度限制自組裝方法”問世,將碳基技術從實驗室向工業化推進了一大步,那么下一步還有哪些挑戰,還有哪些“死亡谷”需要穿越?

芯謀研究首席分析師顧文軍對《中國電子報》記者表示:“這是很令人興奮的事情,但是從論文到新技術再到產品到商品有很長的路要走,需要進一步加大研發。目前已經有很多新材料被研發出來,包括氮化鎵、碳化硅等,但從長期來看,硅還是難以被取代的?!?

半導體業內分析人士韓曉敏認為,碳基是集成電路重要發展方向之一,但是目前產業生態中愿意跟進的企業還不多。還需進一步突破成本限制,在設備和器件等工藝方面還需建立成熟的規范流程,在產品方向上,與硅基芯片結合不緊密的領域有望最先突破。

從實驗室到產業化,中間的“死亡谷”有哪些“陷阱”和挑戰?本源量子是中國一家量子計算領域的創業公司,本源量子副總經理張輝在接受《中國電子報》記者采訪時表示,從科研品到工業品,其中面臨的挑戰包括資金的持續保證、理念的轉變以及與現有產業的兼容等?!芭c現有產業的兼容至關重要,如果現有半導體產業從儀器、設備、工藝流程上可大部分借用,那么將大大提升產業跟進的速度?!彼f。

事實上,硅基集成電路產業之所以有今天的豐富、成熟生態,每一個環節都投入巨大。英特爾每年的研發投入占銷售收入超過20%,臺積電過去5年的研發投入是3440億元。也正是因為如此,產業鏈很難“棄硅另起爐灶”,所以兼容至關重要。

那么硅基生態鏈上相關技術與工藝設備流程,比如光刻機、軟件設計工具、測試儀器、生產工藝流程等,在碳基上是否能用?彭練矛院士給出的答案是:“使用率大約能達到80%~90%,但碳管材料的清洗、刻蝕等步驟需要特殊處理,碳管器件的模型需要單獨建立?!?

目前解決了碳納米材料的純度、密度問題?!跋乱徊竭€需要確保材料的工藝穩定性和均勻性,更重要的是和其他器件和IC制備的良好兼容性,這是一個綜合的事情?,F代芯片制備有上千個步驟,其中一步做不好,就沒有好的產品。最后是一個系統優化的問題,材料、器件、芯片設計等密不可分?!迸砭毭f。

碳納米管未來有很好的應用前景?!坝捎谔蓟馁|的特殊性,它能讓電路做到像創可貼一樣柔軟,這樣的柔性器械如果應用于醫療領域,將使患者擁有更加舒適的檢查體驗;在一些高輻射、高溫度的極端環境里,碳基材質所制造出的機器人可以更好地代替人類執行危險系數高的任務;碳基技術若應用到智能手機上,因其擁有更低的功耗,將使待機時間延長?!睆堉居孪蛴浾呓榻B說。

5月26日,北京碳基集成電路研究院舉行成果發布儀式。TCL等幾家大企業的工業研究院相關人員也有到場,工業界關注的焦點是什么?“工業界還是關注技術何時能夠成熟到可以被使用,包括成本和可靠性等工程問題?!迸砭毭硎?,這本就是企業該做的。

而工業界很難在一項技術還沒看到投資回報時進行投入,如果碳基技術想要工程化,需要北京碳基集成電路研究院成為碳基領域的“IMEC”。記者了解到,如果要繼續往前推進,北京碳基集成電路研究院按照200人的規模,再加上實驗平臺,每年需要的資金約為2億元,并且需要確保十年以上的資金投入,約為20億元。但是直到現在,還沒有企業關注到該研究院的價值。

不久前,阿里巴巴宣布未來3年將投入2000億元來研發芯片、云操作系統等,而騰訊云宣布將投入5000億元進行新基建相關技術的研發。在云計算的競爭越來越激烈的當下,從云操作系統到芯片全線布局,正在成為越來越多的巨頭的選擇。目前阿里巴巴已經有了“平頭哥”這家芯片公司,那么未來騰訊有沒有可能也會進入芯片領域呢?如果有可能,期望中國的巨頭企業能夠看到這樣的信息,能夠關注到“碳基”集成電路的新機會。

信息來源:中國電子報、電子信息產業網

上一篇:劉韻潔院士發布5G毫米波芯片研發進展,這項技術未來前景如何?

下一篇:我國碳基半導體制備材料取得關鍵性突破

久久综合给合久久国产免费,国产精品第一页,久99久热爱精品免费视频37,日本免费一区二区三区中文字幕,免费人成视在线观看不卡