摩爾定律終結？下一代芯片技術發展的出路在哪裏？「碳」或許能給我們答案_風聞

原創：中科院物理所

（圖片來源：neatoshop.com）

摩爾定律

摩爾定律

摩爾定律是由英特爾創始人之一戈登·摩爾（Gordon Moore）提出來的。其內容為：當價格不變時，集成電路上可容納的元器件的數目，約每隔18-24個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。這一定律揭示了信息技術進步的速度。

摩爾定律告訴我們，集成電路特徵尺寸隨時間是按照指數規律縮小的。可以説，它是集成電路發展的風向標。如果硅基芯片走到“窮途末路”，就意味着芯片上所能容納的元器件數目達到了極限，那麼芯片性能也就無法繼續提升了。通俗一點，計算機更新換代的時代就結束了。這聽起來非常聳人聽聞，但卻的確是一個切實而嚴峻的問題。

大家一定很好奇，為什麼摩爾定律就走到頭了，特徵尺寸不能在繼續小下去，這就要回到我們所用的硅基材料的問題上。

硅基CMOS技術

CMOS 是 Complementary Metal Oxide Semiconductor（互補金屬氧化物半導體）的縮寫，它是指製造大規模集成電路芯片用的一種技術或用這種技術製造出來的芯片。而硅基CMOS就是以硅為襯底的芯片。

高性能電子型和空穴型場效應晶體管（field effect transistor, FET）的製備及集成是硅基CMOS技術的核心。晶體管尺寸的減小會導致器件加工越來越困難，其中有兩大問題：一是器件的加工精度，二是半導體材料摻雜的均勻性。

首先，器件的加工精度遇到了問題。這其實很容易理解，芯片上晶體管的尺寸越來越小，加工自然越來越難，技術要求也越來越多。

其次，硅這種半導體材料的均勻摻雜遇到了問題，尤其是當期間尺寸達到納米量級。半導體材料的摻雜是為了實現器件的電學性質，摻雜出現了問題，必定會嚴重影響晶體管電學性質的性能和穩定性。

硅基CMOS技術遇到瓶頸，摩爾定律面臨極限，那麼大家最想問的一定是：這個問題是否就無解了？

IBM公司曾在2015年度的國際固態電路會議上宣佈，微電子工業走到7納米技術節點時將不得不放棄使用硅作為支撐材料，非硅基納電子技術將會興起。IBM 的系統計算表明，相比於硅芯片，10納米技術節點碳納米管芯片在性能和功耗方面都有明顯改善。

例如，從硅基7納米技術到5納米技術，芯片速度大約提升20％ ；而相比硅基7納米技術，碳納米管7納米技術的芯片速度將提升300％。IBM 甚至宣佈，由碳納米管構成的芯片將於2020年之前成型 。

作為與硅同為四族元素的碳，似乎成了未來的希望。那問題又來了，為什麼是碳基材料？下面我們一起來看一下碳基材料的優勢。

碳基材料的優勢及挑戰

電子學中的碳基材料主要有碳納米管、石墨烯、富勒烯。我們主要給大家介紹一下呼聲最高的碳納米管和石墨烯。

1碳納米管

碳納米管

碳納米管是在1991年由日本筑波NEC實驗室的物理學家飯島澄男發現的。它是一種管狀的碳分子，按照管子的層數不同，分為單壁碳納米管和多壁碳納米管。管子的半徑方向非常細，只有納米尺度，幾萬根碳納米管並起來也只有一根頭髮絲寬，碳納米管的名稱也因此而來。而在軸向則可長達數十到數百微米。

碳納米管具有極其優異的電學、光學、熱學、磁學以及力學性能，是理想的納電子和光電子材料。為什麼這麼説呢？我們不妨來看一個參數：

室温下，硅基場效應管的電子遷移率是1000 cm/(V·s)，而碳納米管場效應管中電子遷移率可以達到100000 cm/(V·s)，是硅基場效應管的100倍左右。

而電子遷移率主要影響到晶體管的兩個性能：一是電導率，遷移率越大，電阻率越小，通過相同電流時，功耗越小，電流承載能力就越大。二是影響器件的工作頻率，提高載流子遷移率，可以降低功耗，提高器件的電流承載能力，同時提高晶體管的開關轉換速度。

這只是碳納米管眾多優越性質中的一個，它還具有很多其他優異的性能，例如導電性能、導熱性能等等。但是管中窺豹，可見一斑，相比於硅基材料，它的性能確實非常優越，因此也成為了碳基材料的熱門候選。

2石墨烯

石墨烯

石墨烯是一種由碳原子組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，厚度只有一個碳原子。2004年英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，成功地在實驗中從石墨中用膠帶粘出了石墨烯（對，沒錯，就是用膠帶粘）。

在此之前，石墨烯這種結構被認為不能穩定存在，一經發現，立刻引起了研究的熱潮。不過，我們在這裏主要關注石墨烯在電子學中的應用。

和碳納米管類似，室温下石墨烯同樣具有遠高於商用硅片的高載流子遷移率，並且噪聲很低，受温度和摻雜效應的影響很小，非常適合用於晶體管的製造。

石墨烯電子的費米速度和很低的接觸電阻則有助於進一步減小器件開關時間，使得由石墨烯製成的納電子器件能夠有超高頻率的操作響應。

除此之外，它還有許多優越的力學性質，比如在物理方面的彈性模量可達1 TPa，自身的強度是130 GPa，因此非常適合用於設備製造。現在，石墨烯的場效應晶體管已經能用標準化的光刻方法制備。

除了在用於製造晶體管，石墨烯還有很多其他的優越性質，使它能夠在電子學其他領域大展拳腳，例如它良好的透光率和導電性，可以作為透明電極用於發光二極管，大大減少透明電極薄膜的厚度等等。

簡而言之，碳基材料真看起來非常優秀，但為什麼目前仍然沒有大規模應用呢？一方面是目前硅基材料還沒有達到極限，研發和更換生產線需要各個公司投入大量成本；另一方面，它本身在應用方面也面臨很多挑戰，比如各種材料的製備，能隙控制，載流子濃度控制等等。但針對這些問題，世界各地的科研團隊都在努力探索，並給出了初步的解決方法，在我們的有生之年能夠看到碳基材料應用於我們的日常生活還是非常有希望的。

參考文獻

[1] 彭練矛. 2020年之後的電子學:碳基電子學的機遇和挑戰[C]// 中國真空學會2012學術年會論文摘要集. 2012.

[2] 廖志宇. 單層石墨烯在場效應晶體管中的應用研究[D]. 湖南大學, 2011.

[3] https://wenku.baidu.com/view/80858e1d03020740be1e650e52ea551810a6c995.html