當(dāng)前智能手機(jī)、電腦登電子設(shè)備已成為人們生活中不可或缺的一部分,更高的運行速度、更加持久的用電量一直是我們追求的目標(biāo),如何實現(xiàn)這些更優(yōu)的性能,離不開晶體管研究領(lǐng)域的技術(shù)突破。
為打破傳統(tǒng)硅基芯片發(fā)展面臨的物理制約瓶頸,科學(xué)家們近年來開始研究替代硅基芯片的新型材料,碳基晶體管以其優(yōu)越的性能,成為提高計算機(jī)運行速度,降低電子設(shè)備功耗的一代新星。但是,多年來一直面臨制造工藝、材料等方面的發(fā)展難題。
9月25日,美國加州大學(xué)伯克利分校和勞倫斯伯克利國家實驗室(Berkeley Lab)的物理學(xué)系教授Crommie、化學(xué)系教授Fischer及其同事在Science上發(fā)表了一項最新研究成果,這個由化學(xué)家和物理學(xué)家組成的團(tuán)隊創(chuàng)造出了一種完全由碳制成的金屬線。
這種金屬線為制造碳基電路的工具箱提供了最后一個工具,該創(chuàng)造必將加速推進(jìn)碳基晶體管的研究進(jìn)程,為碳基計算機(jī)的制造奠定堅實的基礎(chǔ)。
加州大學(xué)伯克利分校化學(xué)系教授Felix Fischer表示:“在碳基材料(Carbon-Based Materials)領(lǐng)域內(nèi),將同種材料整合到一起的技術(shù)是關(guān)鍵所在。”他指出,用同一種材料制造所有電路元件的能力會使制造變得更加容易,而這一直是全碳基集成電路架構(gòu)中缺少的關(guān)鍵因素之一。
碳基半導(dǎo)體時代的開啟
上世紀(jì)五六十年代,集成電路開始迅速發(fā)展,半導(dǎo)體制造工藝技術(shù)不斷提升,一小塊芯片上集成的晶體管數(shù)目不斷增加,摩爾定律穩(wěn)步發(fā)展。
進(jìn)入21世紀(jì),信息技術(shù)飛速發(fā)展,芯片性能不斷提高,尺寸也在不斷變小上實現(xiàn)一次次的突破,以單晶硅為主的半導(dǎo)體集成電路已成為整個信息技術(shù)的強(qiáng)大支柱。
但芯片尺寸的不斷減小,也增加了相關(guān)工藝的難度,尤其是到了納米級材料,受材料、技術(shù)、 器件等方面的物理限制,傳統(tǒng)的硅基晶體管發(fā)展速度放緩。
近幾年,對于硅基芯片發(fā)展中,摩爾定律面臨的物理瓶頸日趨嚴(yán)重,研究人員開始逐步探索碳納米晶體管的研發(fā)。與硅基晶體管相比,碳基晶體管具有成本低、功耗小、效率高的顯著優(yōu)勢。理論上來說,碳晶體管的極限運行速度是硅晶體管的5-10倍,而功耗方面,卻只是后者的十分之一。
所謂碳納米管,是一種1991年被發(fā)現(xiàn)的新型材料,由呈六邊形排列的碳原子構(gòu)成的單層或者多層圓管。在制備高性能晶體管方面,它具有超高的電子和空穴遷移率、原子尺度的厚度、以及穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)等優(yōu)勢。
我國碳基芯片的研究起步較早,代表研究機(jī)構(gòu)有中科院、北京大學(xué)、清華大學(xué)等。
早在2017年,北京大學(xué)電子系教授彭練矛課題組就實現(xiàn)了用碳納米管研制出了晶體管,而且其工作速度相當(dāng)于英特爾最先進(jìn)的14納米商用硅材料晶體管的3倍,能耗僅占1/4。
彭練矛教授曾說:“我們在碳基集成電路這條路上走了二十年,還沒有看到什么令我們覺得走不下去的障礙。”
超窄納米帶金屬線
隨著這些年碳基晶體管研究的不斷深入,相關(guān)工藝日趨成熟,實驗室級的碳晶體管不斷被研發(fā)出來,想要把這些獨立的碳基晶體管大規(guī)模的連接在一起形成一塊完整的芯片,因為關(guān)鍵部件——金屬線制造技術(shù)的不成熟,使得其成為一件相當(dāng)困難的事情。
金屬線就像計算機(jī)芯片中用于連接晶體管的金屬通道一樣,將晶體管中的電子從一端傳導(dǎo)到另一端,作為計算機(jī)的基本組成部分,晶體管也因此得以實現(xiàn)半導(dǎo)體元件的互連。
加州大學(xué)伯克利分校的研究團(tuán)隊多年來一直致力于研究如何使用石墨烯納米帶制造半導(dǎo)體和絕緣體。
石墨烯納米帶是由原子厚度的石墨烯組成的一維窄條,這種結(jié)構(gòu)完全由碳原子組成,排列成相互連接的六角形,類似于雞肉線。
新研發(fā)的碳基金屬也是一種石墨烯納米帶,但設(shè)計時著眼于在全碳晶體管的半導(dǎo)體納米帶之間傳導(dǎo)電子。Fischer的同事、加州大學(xué)伯克利分校物理學(xué)教授Michael Crommie說,金屬納米帶是采用一種自下而上的方法,利用較小的相同結(jié)構(gòu)單元組裝而成的結(jié)構(gòu)。每個結(jié)構(gòu)單元均貢獻(xiàn)一個電子,該電子可沿納米帶自由流動。
雖然其他碳基材料也可以是金屬的,比如擴(kuò)展的二維石墨烯片和碳納米管。但它們各自存在問題,例如,將二維石墨烯片材重塑成納米級的條帶,就會自發(fā)地將它們變成半導(dǎo)體,甚至是絕緣體。
碳納米管卻是一種極好的導(dǎo)體,但無法像納米帶那樣,以同樣的精度和可重復(fù)性進(jìn)行大量制備。
Crommie說:“納米帶可以便于我們利用自下而上的制造方式,以化學(xué)方式獲得各種各樣的結(jié)構(gòu),這是納米管還無法實現(xiàn)的一點。這樣我們基本上可以將電子縫合在一起,以創(chuàng)建金屬納米帶,這也是以前從來沒有做過的事情。這不僅是石墨烯納米帶技術(shù)領(lǐng)域的重大挑戰(zhàn)之一,也是我們感興趣的原因之一。”
金屬石墨烯納米帶具有寬的、部分填充的金屬電子帶特征,在電導(dǎo)率上應(yīng)該與二維石墨烯本身相當(dāng)。
“我們認(rèn)為金屬線確實是一項突破,這是我們第一次可以有意識地用碳基材料創(chuàng)造出一種超窄的金屬導(dǎo)體,這種導(dǎo)體是一種良好的本征導(dǎo)體,而無需外部摻雜。”Fischer補(bǔ)充道。
調(diào)整拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
自上世紀(jì)五六十年代以來,硅基集成電路為計算機(jī)提供了越來越快的速度和更優(yōu)的性能。但是近十年來,半導(dǎo)體上可集成的晶體管數(shù)目增長速度明顯放緩,摩爾定律被不斷質(zhì)疑是否已到了窮途末路,當(dāng)前的硅基半導(dǎo)體技術(shù)正在不斷達(dá)到物理極限。
與此同時,想要降低電路的功耗也變得越來越難,計算機(jī)已經(jīng)成了全球能源的一大消耗設(shè)施。Fischer 說,與硅基計算機(jī)相比,碳基計算機(jī)的切換速度有可能會加快很多倍,而功耗卻很小。
純碳的石墨烯是下一代碳基計算機(jī)的主要競爭者,窄帶的石墨烯主要是半導(dǎo)體,面對絕緣體完全不導(dǎo)電和金屬完全導(dǎo)電的兩個極端,如何將它們同時用作絕緣體和金屬,以完全由碳構(gòu)成晶體管和處理器,成為一大挑戰(zhàn)。
幾年前,Fischer和Crommie與理論材料科學(xué)家、加州大學(xué)伯克利分校物理學(xué)教授Steven Louie合作,發(fā)現(xiàn)了連接小長度納米帶的新方法,從而可靠地創(chuàng)造了全方位的導(dǎo)電特性。從而可靠地創(chuàng)建了整個導(dǎo)電性能域。
兩年前,該團(tuán)隊證明,通過以正確的方式連接納米帶的短段,可以將每段中的電子排列成一個新的拓?fù)錉顟B(tài)(一種特殊的量子波函數(shù)),從而產(chǎn)生可調(diào)諧的半導(dǎo)體特性。
在這項新工作中,他們使用類似的技術(shù)將納米帶的短段縫合在一起,創(chuàng)造出一種長數(shù)十納米、寬僅一納米的導(dǎo)電金屬線。
寬帶金屬石墨烯納米帶(GNR)的電子顯微鏡圖像
圖中每個突簇對應(yīng)了一個單獨占據(jù)的電子軌道,在每個簇附近形成五邊形環(huán)會使得金屬GNR的電導(dǎo)率增加十倍以上, GNR主干的寬度為1．6納米。
這些納米帶材是通過化學(xué)方法創(chuàng)建的,并使用掃描隧道顯微鏡在非常平整的表面上成像。簡單的加熱就可以誘導(dǎo)分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng),并以正確的方式連接在一起。Fischer將菊花鏈?zhǔn)椒e木的組裝比作一套樂高積木,但樂高積木的設(shè)計適合原子級。
Fischer 說:“它們都是經(jīng)過精確設(shè)計的,所以只有一種方式可以合在一起。這就好比你拿一袋樂高積木,搖一搖,就會出來一輛完全組裝好的汽車。這就是用化學(xué)控制自組裝的神奇所在。”
一旦組裝完畢,新的納米帶的電子狀態(tài)是一種金屬,就像Louie預(yù)測的那樣,每個部分都貢獻(xiàn)了一個導(dǎo)電電子。最終的突破可以歸因于納米帶結(jié)構(gòu)的微小變化。
“利用化學(xué)方法,我們創(chuàng)造了一個微小的變化,大約每100個原子中只有一個化學(xué)鍵發(fā)生了變化,但卻使納米帶狀物的金屬性提高了20倍,從實用性的角度來看,這對使其成為一種性能良好的金屬是很重要的。”Crommie說。
Fischer 教授和Crommie教授正在與加州大學(xué)伯克利分校的電氣工程師合作,將他們的工具箱中的半導(dǎo)體、絕緣和金屬石墨烯納米帶組裝到工作的晶體管中。
Fischer說:“我相信這項技術(shù)將在未來改變我們構(gòu)建集成電路的方式,這應(yīng)該會使我們比現(xiàn)在可以預(yù)期的硅具有最好的性能提升一大步。我們現(xiàn)在有一條途徑,可以以更低的功耗獲得更快的開關(guān)速度。這就是未來推動碳基電子半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的動力。”