下一代芯片技术发展的出路在哪里？

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(照片来源:neatoshop.com)

摩尔定律

摩尔定律

摩尔定律是由英特尔的创始人之一戈登·摩尔提出的。内容是:当价格不变时，集成电路上可容纳的元件数量大约每18-24个月就会增加一倍，性能也会增加一倍。这条定律揭示了信息技术进步的速度。

摩尔定律告诉我们，集成电路的特征尺寸随时间呈指数下降。可以说它是集成电路发展的风向标。如果硅基芯片达到了“路的尽头”，这意味着芯片上可容纳的元件数量已经达到极限，芯片的性能就不能继续提高。流行，计算机升级的时代已经结束。这听起来很耸人听闻，但这确实是一个实际而严重的问题。

每个人都一定很好奇为什么摩尔定律已经结束，特征尺寸不能继续减小。这将回到我们使用的硅基材料的问题上。

硅基互补金属氧化物半导体技术

互补金属氧化物半导体(CMOS)是互补金属氧化物半导体(CMOS)的缩写，指的是用于制造大规模集成电路芯片或由该技术制造的芯片的技术。硅基CMOS是一种基于硅的芯片。

高性能场效应晶体管的制备和集成是硅基CMOS技术的核心。晶体管尺寸的减小将导致器件加工中越来越多的困难。有两个主要问题:一是设备的加工精度；另一个是半导体材料掺杂的均匀性。

首先，设备的加工精度遇到了问题。事实上，很容易理解芯片上晶体管的尺寸越来越小，处理自然变得越来越困难，技术要求也在增加。

其次，半导体材料硅的均匀掺杂遇到了问题，尤其是当尺寸达到纳米级时。半导体材料的掺杂是为了实现器件的电学特性。掺杂问题将严重影响晶体管电性能的性能和稳定性。

硅基CMOS技术正面临瓶颈，摩尔定律正面临极限。所以每个人最想问的是:这个问题没有解决方案吗？

IBM在2015年国际固态电路会议上宣布，当微电子工业达到7纳米技术节点时，将不得不放弃使用硅作为支撑材料，非硅基电子技术将会出现。IBM的系统计算显示，与硅芯片相比，10纳米技术节点碳纳米管芯片的性能和功耗有了显著提高。

例如，从硅基7纳米技术到5纳米技术，芯片速度提高了约20%。与硅基7纳米技术相比，碳纳米管7纳米技术的芯片速度将提高300%。IBM甚至宣布由碳纳米管制成的芯片将在2020年形成。

碳是含硅的第4族元素，似乎是未来的希望。问题又来了，为什么碳基材料？让我们来看看碳基材料的优势。

碳基材料的优势和挑战

电子学中的碳基材料主要包括碳纳米管、石墨烯和富勒烯。我们主要介绍声音最大的碳纳米管和石墨烯。

1碳纳米管

碳纳米管(来源:https://www . printed electronics wold . com/articles/2100/CNTs-and-graphene-and-the-situation-in-Germany)

碳纳米管于1991年由日本筑波日本电气公司实验室的物理学家Sumio Mitsuro发现。它是一种管状碳分子，根据管的层数分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。管子的半径很细，只有纳米级，成千上万的碳纳米管组合起来时只有一根细丝宽，这就给了碳纳米管的名字。并且在轴向上可以长达数十到数百微米。

碳纳米管具有优异的电学、光学、热学、磁学和力学性能，是理想的纳米电子和光电材料。你为什么这么说？让我们看看一个参数:

室温下，硅基场效应晶体管的电子迁移率为1000厘米/(伏·秒)，而碳纳米管场效应晶体管的电子迁移率可达100，000厘米/(伏·秒)，约为硅基场效应晶体管的100倍。

电子迁移率主要影响晶体管的两个特性:第一，当通过相同的电流时，电导率越大，迁移率越大，电阻率越小，功耗越小，载流能力越大。二是影响器件的工作频率，提高载流子迁移率，降低功耗，提高器件的载流能力，提高晶体管的开关速度。

这只是碳纳米管众多优异性能中的一种，它还具有许多其他优异性能，如导电性、导热性等。然而，从管子内部可以看出，与硅基材料相比，它的性能确实非常优越，因此它也成为碳基材料的热门候选材料。

石墨烯

石墨烯(来源:百度百科)

石墨烯是由碳原子组成的六边形蜂窝状平面薄膜，厚度只有一个碳原子。2004年，英国曼彻斯特大学的物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫在实验中成功地用石墨胶带粘合了石墨烯(是的，是的，是用胶带粘合的)。

在此之前，石墨烯被认为是不稳定的，一旦被发现，它立即引起了研究热潮。然而，我们主要关注石墨烯在电子领域的应用。

与碳纳米管类似，石墨烯在室温下也具有较高的载流子迁移率，远远高于商用硅片，并且噪声低，受温度和掺杂效应影响小，非常适合晶体管制造。

石墨烯电子的费米速度和极低的接触电阻有助于进一步减少器件的开关时间，使得石墨烯制成的纳米电子器件能够具有超高频工作响应。

此外，它还具有许多优异的力学性能，如物理弹性模量可达1 TPa，强度为130 GPa，非常适合于设备制造。目前，石墨烯场效应晶体管可以通过标准化的光刻方法制备。

除了用于制造晶体管之外，石墨烯还具有许多其他优异的性质，这使得它能够在其他电子领域做出巨大贡献，例如其良好的透光率和导电性，可用作发光二极管的透明电极，大大减小了透明电极膜的厚度等。

简而言之，碳基材料看起来确实很棒，但是为什么它们没有被大规模应用呢？一方面，硅基材料目前还没有达到极限，研发和更换生产线需要公司投入大量成本。另一方面，它在应用中也面临许多挑战，如各种材料的制备、能隙控制、载流子浓度控制等。然而，为了应对这些问题，世界各地的科研团队正在努力探索并提供初步的解决方案。看到碳基材料在我们一生中的日常生活中得到应用仍然是非常有希望的。

参考

[1]彭练矛。2020年后的电子学:碳基电子学的机遇和挑战[中国真空学会2012年学术年会综述。2012.

廖志宇。单层石墨烯在场效应晶体管中的应用研究[博士。湖南大学，2011。

[3]https://wenku . Baidu . com/view/80858 E1 d 03020740 be 1e 650 e 52e a 551810 a6 c 995 . html