中国碳基半导体产业技术发展历程、面临困难及相关上市企业

DT半导体材料 2023-12-06 18:17

按照科学家的预计,硅基芯片的物理极限在1nm。而按照晶圆厂们的工艺演进,3nm后的工艺是2nm,再之后的工艺是1.4nm。因为硅基材料所限,硅基芯片性能的缺陷会变得愈发明显,无法再往1nm以下推进。比如:

1、在工艺方面,硅基芯片出现了量子隧穿效应、原子掺杂涨落、功耗墙等现象;
2、在架构方面,出现了冯诺曼架构的内存墙现象;
3、在晶体管原理方面,也出现了亚阈值摆幅的玻尔兹曼极限与工作电压的缩减极限。
美国半导体工业协会---成员包括英特尔、AMD和Global Foundries发表了一份报告。这份报告宣称,“到2021年,硅晶体管尺寸的缩小将不再是一件经济可行的事情。取而代之的是,芯片将以另一种方式发生变化。”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进行深入挖掘。
碳基半导体技术进展

碳纳米管

碳纳米管是未来最有希望取代硅基材料的理想碳基半导体材料。IBM研究表明,10nm技术节点后碳纳米管芯片在性能和功耗方面都将比硅芯片有明显改善。从硅基7nm到5nm技术,芯片速度大约提升20%,而相比硅基7nm技术,碳纳米管基7nm技术的芯片速度将提升300%。北京大学彭练矛团队研究结果表明,在14nm技术节点碳纳米管晶体管的速度和功耗均较硅基器件有10倍以上的优势,进入10nm技术节点后这种优势还将继续加大。
我国研究人员通过多年的努力,在该领域实现了突破。2007年,北京大学彭练矛团队在高性能碳纳米管场效应晶体管制备方面,发现利用金属钪(Sc)和钇(Y)可以与碳纳米管的导带形成理想欧姆接触,制备出高性能弹道n型碳纳米管场效应晶体管,器件性能接近理论极限。
2008年,彭练矛团队突破了n型碳纳米管制备这一跨世纪难题,创造性地研发出一整套高性能碳纳米管晶体管的无掺杂制备方法,并在2017年首次制备出栅长5nm的晶体管,同时证明了碳纳米晶体管可以在达到理论极限时克服短沟道效应,也就是可以用一个简单的平面工艺一直走到物理极限,无需像硅技术那样发展更复杂的三维晶体管技术以降低短沟道效应。

图1  5nm栅长碳纳米晶体管

2018年,彭练矛团队再次突破了传统的理论极限,发展出新原理的超低功耗的狄拉克源晶体管;同年,团队用高性能的晶体管制备出集成电路,最高速度达到5×103MHz,不断跻身与斯塔福大学、麻省理工学院等研究机构同步的国际领跑行列,并且在最关键的核心技术上是世界领先的。

2019年,清华大学化学工程系魏飞教授团队实现了在长度达到154mm后可实现99.9999%超长半导体管阵列的一步法制备,为制备结构完美、高纯半导体管水平阵列这一世界性难题提供了一项全新的技术路线,对新一代碳基电子材料的可控制备具有重要价值。
2020年,彭练矛、张志勇团队突破了半导体碳纳米管关键的材料瓶颈,且制备出的器件和电路在真实电子学表现上首次超过了硅基产品,这意味着碳基集成电路已经初步具备工业化基础,并跻身国际领跑先列。

2022年,彭练矛团队制备了10nm超短沟道弹道二维硒化铟晶体管,实现了弹道运输,显示了在下一代互补金属氧化物半导体技术中的应用潜力。

2023年,彭练矛团队首次展示了基于阵列碳纳米管的90nm节点晶体管和电路,探索了将碳基晶体管进一步缩减到10nm节点的可能性,具备可以高度集成的能力。目前该团队研发的高灵敏碳纳米管晶体管氢气传感器产品已经上市,其探测限可以达到0.5ppm,属于最高端的氢气传感器产品,也是世界首款碳纳米管芯片产品。

石墨烯

石墨烯电子迁移率高、导热性好,这使其既可获得很高的信号传输速度,又能在较低温度和高频下进行工作。因此,石墨烯成为一种非常理想的集成电路材料。石墨烯纳米带的二维晶格结构具有高导电率、高导热率和低噪声,这些性能可使其取代铜等金属线连接成为连接材料。
2014年,中国华南师范大学物理与电信工程学院研究人员在三维芯片中增加了一个石墨烯层以解决散热问题。试验结果表明,加入石墨烯导热层后,峰值温度有了较好的改善,石墨烯层能够提供良好的散热通道,将热量快速分散开。
2019年,中国科学院上海微系统与信息技术研究所谢晓明团队首次在较低温度条件下采用化学气相沉积外延成功制备6英寸无褶皱高质量石墨烯单晶晶圆,成功将外延生长石墨烯单晶的生长温度从1000℃成功降低到750℃。石墨烯单晶晶圆的批量化制备是石墨烯在电子学领域规模化应用的前提,低温外延制备晶圆级石墨烯单晶对于推动石墨烯在电子学领域的应用具有重要意义。

图2  石墨烯单晶晶圆生长设计及实验过程
同年,北京大学刘忠范院士与彭海琳教授联合团队循着外延衬底制备-石墨烯外延生长这一研究思路,首先制备了4英寸CuNi铜镍合金单晶薄膜,并以其为生长基底实现了4英寸石墨烯单晶晶圆的超快速制备。同时,该团队研发了石墨烯单晶晶圆批量制备装备,实现了单批次25片4英寸石墨烯单晶晶圆的制备,设备年产能可达1万片,在世界范围内率先实现了石墨烯单晶晶圆的可规模化制备。

2021年,上海交通大学陈长鑫教授、斯坦福大学戴宏杰教授和 Wendy L. Mao 教授及其课题组一起开展了窄的边缘闭合的石墨烯纳米带的研究。研究团队通过使用一种高压和热处理的方法将碳纳米管压扁制备亚 10 纳米宽的长的石墨烯纳米带,其具有原子级光滑的闭合边缘。通过该方法,在使用的特定碳纳米管样品中大约 54% 的单壁和双壁碳纳米管可被转化为边缘闭合的石墨烯纳米带。该研究有益于促进碳材料在未来集成电路中的应用。

2023年,华为公司宣布了一项颠覆性的技术成果---石墨烯晶体管芯片的专利。据华为透露,这种基于石墨烯的晶体管芯片在速度上相比现有的硅基芯片提高了近千倍,同时在能耗上也有显著的降低。华为此次发布的专利,标志着这种新材料在芯片制造领域的成功应用,这不仅是材料科学和纳米技术的一大进步,也可能对整个半导体产业产生深远的影响。
在半导体晶体管领域,相比于硅晶体管,石墨烯晶体管优势在于其晶体管晶格高度温度,即使在单碳原子厚度下还能稳定工作,而硅材料晶体管在10nm以下便会失去稳定性。薄且十分稳定的石墨烯晶体管不仅有助于电子元件向小型化发展,同时也允许其在极端温度条件下工作。此外,石墨烯的载流子移动极快,对外场的反应也极快,所以石墨烯晶体管可在很高频率下稳定工作。
碳基半导体发展面临的问题

碳纳米管面临难题

(1)碳纳米管提纯难

碳基半导体需要的是半导体型的碳纳米管,金属型碳纳米管相当于杂质,会造成短路干扰电路运行。但在碳纳米管制备过程中金属型与半导体型共生,剔除金属型碳纳米管,尽可能提高碳纳米管的半导体纯度是一大技术难题。碳纳米管集成电路批量化制备的前提就是超高半导体纯度、顺排、高密度、大面积均匀的碳纳米管阵列薄膜。

据悉,碳基芯片的纯度至少在6到8个9的时候(99.999999%),才能够让碳基芯片的性能比肩传统硅基芯片。这也是MIT团队的CPU明明包含1.4万个碳纳米管晶体,性能却不如北京大学由大概2500个晶体管组成的CPU的原因。


对于碳纳米管来说,单一的提纯方法很难将碳纳米管中的杂质完全去除,尤其是单壁碳纳米管。碳纳米管制备完后常包含大量杂质,其杂质主要包括碳杂质和金属杂质两大类。碳纳米管中杂质的存在限制了其应用,因此对碳纳米管的提纯成了目前急需解决的技术难题。


(2)材料与性能问题
除制备外,碳纳米管还面临两个方面问题的困扰。

一是可靠性较差。碳纳米管暴露于空气后会在几天内降解,且在高能电场下进行操作时,碳纳米管场效应晶体管会发生雪崩击穿现象,这些性质会影响碳纳米管的实际应用。目前,研究人员发现,可通过多通道结构提高碳纳米管场效应晶体管的稳定性,使其在几个月后依然保持稳定的性能。

二是现有性能不足。以麻省理工学院2019年发布的全球首款碳纳米管通用计算芯片RV16X-NANO为例,虽然该芯片的规模与英特尔1985年发布的80386芯片相当,但其在运行频率上和80386芯片仍有不小差距。80386的运行频率为16MHz,而碳纳米管芯片的最大频率仅为1.19MHz。造成这种差异的原因在于电子元件的电容以及晶体管可以承载的电流量较为有限。硅晶体管每微米宽度可承载大约1毫安的电流(1mA/μm),而碳纳米管晶体管每微米宽度只能承载约6微安的电流(6μA/μm)。

 石墨烯面临难题

(1)带隙问题

半导体由其带隙所定义,带隙指的是激发一个电子,使其从不能导电的价带跃迁到可以导电的导带所需要的能量。石墨烯作为晶体管应用时,带隙必须足够大,才能使晶体管开和关之间的状态对比明显,从而准确无误地处理信息。然而,常规的大片石墨烯是一种零带隙材料,在费米能级处其电导率不会像一般半导体一样降为零,而是达到一个最小值,以此作为沟道的晶体管很难被关断,进而限制石墨烯应用于晶体管。因此,如何产生禁带以实现高的开关比是石墨烯晶体管研究重点。

(2)制备问题

石墨烯除带隙问题外,其制备问题也一定程度上限制了在半导体领域的应用。制备出高质量石墨烯薄膜是石墨烯成功应用于半导体领域的关键。目前,应用较为广泛的石墨烯制备方法主要有:微机械剥离法、化学氧化-还原法、化学气相沉积法(CVD)和外延生长法等。微机械剥离法制备的石墨烯完整度较高,但是操作复杂,可控性低,成本较高且效率低下,实际生产中很少被采用;化学氧化-还原法操作简单,可以制备大规模石墨烯,被广泛用于石墨烯复合材料制备,但氧化石墨烯表面的含氧官能团不能完全被还原,易出现结构缺陷,空洞等破坏石墨烯共轭大π键,影响石墨烯的导电性能;化学气相沉积法制备的石墨烯完整度很高,在精细加工领域,比如集成电路方面,可以充分发挥其优势,但由于其在金属层上沉积,需要腐蚀掉金属层才能得到石墨烯,成本较高;外延生长法得到的石墨烯,难转移、不能精确控制石墨烯厚度,很难得到大尺寸、高均匀性的石墨烯,原料碳化硅又十分昂贵,不适合一次性制得大量的石墨烯。

另外,目前还没有完全解决石墨烯与硅基材料之间的兼容性问题。由于石墨烯与传统硅基材料没有良好的匹配性,因此在石墨烯芯片的应用过程中,需要解决石墨烯与硅基材料之间的接口问题,以确保芯片的稳定性和电气性能。


共性难题

产学研融合不易:根据中国的产学研现状来看,国内公司更愿意在研究成果成熟时和高校合作。因为带有不确定性的合作,短期内很难给公司带来盈利,长期看又存在一定风险,产业界得不到足够动力投入资金。而碳基半导体技术从实验室到产业界,中间还需要进行工程化研究,其中面临的挑战包括资金的持续保证、理念的转变以及与现有产业的兼容等。如果产学研不能更好地融合,这些问题只依靠研究团队很难解决。


目前,虽然多数国内公司更愿意在研究方案成熟时来和高校合作,但处在行业引领地位的华为,会更关注基础研发,目前已和彭练矛团队对接。


石墨烯目前在半导体行业中的应用主要包括以下几个方面

1.透明导电膜:石墨烯的高导电性和良好的透明性使其成为理想的透明导电膜材料。在触摸屏、太阳能电池、柔性显示等领域,石墨烯可以替代传统的氧化铟锡(ITO)透明导电膜;


2.石墨烯晶体管:由于石墨烯具有极高的电子迁移率,因此在半导体行业中被视为下一代电子设备中的理想材料。当前,石墨烯基晶体管的研究正在快速发展中,尽管还存在一些挑战,但它的高速、低能耗等特性已经得到了广泛的认可;


3.传感器:石墨烯的高灵敏度和快速的响应性能使其在半导体传感器中具有广泛的应用,包括生物传感器、化学传感器以及气体传感器等。


涉及相关上市公司
德尔未来,控股子公司厦门烯成石墨烯科技有限公司是较早掌握石墨烯大单晶制备技术的企业,所生产的G-CVD石墨烯生长设备可以用于大单晶的石墨烯制备。

华丽家族,旗下子公司宁波墨西已形成年产100吨电子级石墨烯微片与年产400吨工业级石墨烯微片的生产能力。


楚江新材,子公司顶立科技第三代半导体专用碳基材料及装备项目主要围绕“四高两涂一装备”的技术和产品布局,即碳化硅单晶、高纯碳粉、高纯碳化硅专用高纯热场、高纯石墨、碳化硅涂层、碳化钽涂层及超高温石墨提纯装备。


新纶科技,投建了超薄高导热石墨烯/碳纳米管复合薄膜散热材料提升专项项目。


拓邦股份,参股公司德方纳米致力于纳米材料制备技术开发直至产业化。


来源:全球技术地图、国泰君安证券等


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