第三代半導體碳基芯片 (II) 碳基半導體

前文提及碳基半導體與現在的矽基半導體比較，其製備成本更低，但運行功耗更低，效率卻更高，是一種更好的半導體材料，因而很可能是下一代晶體管集成電路的最理想材料 (圖 Google Images)。如果碳基半導體研製成功，芯片內部的晶體管柵極 (Gate) 就不再是矽，而會是碳了！

碳基半導體材料是1991年被日本物理學家飯島澄男偶然發現地 (圖 Google Images)。當時飯島澄男就職於日本築波市的日本電氣 (NEC) 基礎研究所，從事納米科學、電子顯微鏡學研究。一天，飯島用高分辨透射電子顯微鏡，觀測用電弧法產生的碳纖維產物，意外發現了碳納米管，它呈六邊形排列的碳原子構成的單層或者多層圓管 (圖 Google Images)。經深入分析研究發現，在製備高性能晶體管方麵，碳納米管具有超高的電子和空穴遷移率、原子尺度的厚度以及穩定的結構等優勢。2011年，飯島澄男入選為中國科學院外籍院士，此乃題外話 (重視人才?)。

飯島澄男的發現讓正為摩爾定律終結所困擾的半導體業界大為振奮，紛紛出資投向碳納米管晶體管的研究。對碳納米半導體材料的研究由此如火如荼般展開，並不斷取得進展，尤其是在世界的超級科技大國美國 (圖 Google Images)。

對碳納米管半導體技術的研發注定不會一帆風順的，因為要實現大規模高性能集成電路，對碳納米管的品質要求非常嚴苛。杜克大學 (Duke University ) 教授亞倫·富蘭克林 (Aaron Franklin) (圖 Google Images) 在其2013年發表於《自然》(Nature) 的一篇評述性文章中提出了碳納米管的量化指標，即半導體純度超過99.9999% (6個9)、密度達到100-200每微米。杜克大學目前也是國際上攻關碳納米管集成電路的主要研究陣地之一 (圖 Google Images)。

具體來說，為了滿足大規模高性能集成電路的要求，需要碳納米管晶體管同時滿足：

1、排列和密度方麵，需要一種高取向陣列方法，要求在1微米中放下100至200根碳納米管，以保證晶體管數目；

2、純度方麵，需要半導體純度大於99.9999%、或者金屬型碳管含量小於0.0001%，以保證半導體性。

實踐證明，有了正確的技術路線，持續地投入資金和人才，各種困難、障礙都是可以克服和超越的。這不，1998年，IBM研究人員製作出全球第一隻碳納米管晶體管，之後更持續投入資源推進研製碳納米管晶體管。2012年，IBM研究人員製造出一個溝道長度為9nm的碳納米管晶體管。這是世界上首個可以在10nm節點以下工作的晶體管。同年，IBM基於標準半導體製程，研發出了將超過1萬個碳納米管晶體管集成到一顆矽芯片中的技術。他們發現碳納米晶體管的電子比矽質設備運行得更快，是晶體管最理想的結構形式。基於其科研實踐和理論分析，IBM科學家2012年10月28日宣布，他們最新研製的碳納米管芯片符合“摩爾定律”周期，即計算機芯片每18個月集成度翻番，價格減半 (圖 Google Images)。

未完待續

參考資料

北京碳基集成電路研究院. (2020). 5納米碳納米管CMOS器件研製成功. 鏈接 http://www.bicic.com.cn/article/105

董溫淑. (2020). 中國碳基半導體研究團隊再登頂刊！為3nm製程提供另一種選擇. 搜狐. 鏈接 https://www.sohu.com/a/415044632_115978

麥洛. (2020). 專訪北大碳基芯片團隊：我們換道走了20年，覺得能走下去. 北京大學新聞網. 鏈接 https://news.pku.edu.cn/mtbdnew/ee024da5367d47a9a2ffebb8a3d3df12.htm

蕭凱承. (2020). 碳基芯片或許是中國芯片“換道超車”之路. 知乎. 鏈接 https://zhuanlan.zhihu.com/p/145522573

吳昕，力琴. (2020). 北大與MIT硬核較量：後摩爾時代,「碳基半導體」成為中美競逐新焦點.  澎湃. 鏈接 https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_7722174

Atherton, K. (2020). Should US Pay Semiconductor Makers To Compete Vs. China? BREAKING DEFENSE. 鏈接 https://breakingdefense.com/2020/07/should-us-pay-semiconductor-makers-to-compete-vs-china/

Bourzac, K. (2020). Carbon nanotube computers face a make-or-break moment. c&en,97(8). 鏈接 https://cen.acs.org/materials/electronic-materials/Carbon-nanotube-computers-face-makebreak/97/i8

Ham, B. (2020). Carbon nanotube transistors make the leap from lab to factory floor. MIT News. 鏈接 https://news.mit.edu/2020/carbon-nanotube-transistors-factory-0601

MIT Technology Review/科技評論. (2020). 北大 vs 麻省理工學院！全球兩大頂級碳基芯片團隊已低調開啟另一場“芯片競速賽” | 專訪. 鏈接 http://www.mittrchina.com/news/5253

Nield, D. (2020). In a Huge Milestone, Engineers Build a Working Computer Chip Out of Carbon Nanotubes. Science Alert. 鏈接 https://www.sciencealert.com/carbon-nanotubes-chip-is-a-nanotechn-landmark-that-could-take-us-beyond-silicon

Savage, N. (2020). Dipping technique makes high-performance carbon nanotube circuits. c&en. 鏈接 https://cen.acs.org/materials/electronic-materials/Dipping-technique-makes-high-performance/98/web/2020/05

Waldrop，M. (2016). The chips are down for Moore’s law. Nature. 鏈接 https://www.nature.com/news/the-chips-are-down-for-moore-s-law-1.19338

 

[國華P]

回複 'wenxueOp' 的評論 : 謝謝。

[wenxueOp]

接受專業人士的意見，應該不錯。
不過專業人士提出的意見，怎麽讀來並不太專業呢？
或許辯論的手法不專業，茶壺裝餃子？
樓主請繼續，騾子或馬不妨領出來走兩圈。

[國華P]

回複 '我住長江邊' 的評論 : 謝謝。

[我住長江邊]

我也要幫樓主說一句公道話。文學城不是正規雜誌，沒有規定隻有專業人士才能寫專業文章。樓主拋磚引玉，專業人士可以開展專業評論，但不要諷刺打擊。同時，樓主虛心聽取各方意見就好了。百花齊放 百家爭鳴！

[國華P]

回複 '一師是個好學校' 的評論 : 謝謝你這位“半導體專業“的對我如此看重。還是那句話，好好在半導體研發做出點科研成果，尊重言論自由。我還有很多博文，涵蓋旅遊、演藝界，...歡迎你全讀一遍，然後分享你的”動察力“。開心：-）

[一師是個好學校]

回複 '國華P' 的評論 : 想不到博主是這樣的吃相。博主認識總統，不代表你可以做總統。不懂不要裝懂，抄不像，就不要抄。你的帖子放在文學城，本來就是給別人看的。卻說你沒有強迫別人讀。這個就是一種強盜邏輯，就像一個強盜搶了路人，反而說路人為什麽撞到這個強盜的槍口上了！so long!

[國華P]

回複 '我住長江邊' 的評論 : 接受意見。謝謝。

[我住長江邊]

應該說，樓主敢於評論不是自己專業的熱門話題，做了不少的準備工作，勇氣和精神可嘉，也確實是他的自由。不過呢，如果是我，虛心聽取一下專業人士的意見，應該有好處。尊敬知識，尊重專業，是放之四海皆準的標準，不因人而異，因地而異

[國華P]

回複 '一師是個好學校' 的評論 : 剛剛讀到今天文學城一篇標題為“美政府秘密調查文學城？斯坦福再出專文得結論”（鏈接：https://www.wenxuecity.com/news/2020/09/30/9917045.html）的消息。非常感謝文學城給華人提供一處能自由分享觀點的地方。也願給那些習慣或企圖阻擾老百姓自由發表意見的人提個醒，如果你倒行逆施，不認同這個國家的價值觀，最好去/回到與你有同樣價值觀的地方。否則，你要麽連累無辜文學城愛好者，要麽get caught and be expelled。

好了，問'一師是個好學校'一個問題：文學城博客是一學術地兒嗎？我有強迫你或一帖閱讀我的博文了嗎？我有向你或一帖推銷任何東西嗎？博客難道不是有閑暇，有興趣的博主分享天文、地理、科技、文化、時事政經的平台嗎？可是評論卻傲慢的說”實在不願挫傷您的積極性,...但你確實對這一領城沒有professionsl 悟性和視野。...在抄別人（主要是國內）吹的泡沫。不要寫下去更好一些，既節省您的時間和精力，也免了誤導別人。...在習夶的有生之年，忽悠他他也不會察覺。...至於為什說很納米芯片很難很快商業應用，就不學術討論了。“ 你或一帖完全可以在評論或獨立博文中寫出你（們，如果是兩個人的話）認為正確的。更重要的是，你或一帖有professionsl 悟性和視野，可以在專業雜誌去發表論文，去爭取研發資金啊。在這兒與“沒有professionsl 悟性和視野”的我抬杠要麽是浪費時間，要麽是沒地兒去，卻偏要在這兒“鶴立雞群”。

你說你就是搞半導體的，沒有看到你的credential，但選擇相信你。其實搞什麽不重要，做人是最重要的。因為這裏人才濟濟，我身邊有搞力學的，可以用於火箭/導彈的力學，也有搞微觀世界的，應用於隧道掃描，也有醫學的。可我自己，就一臭皮匠，這重要嗎？文學城不會因我的職業、家庭、經濟狀況而不讓我發言。自由社會，懂嗎？要習慣言論自由，要改掉壓製的習慣。好了，希望對你在文學城的言行博客有一丟丟的...你懂的。

[一師是個好學校]

前麵有人評論，也是談了自己的看法。博主反而指責別人威脅,訛詐。明眼人一看就清清楚楚。
老實說，俺就是搞半導體的。聽你說8英寸圓晶先進，所以對你的水平就一目了然。

[國華P]

回複 '一師是個好學校' 的評論 : 謝謝你的建議。如果是專業學術文章，我覺得注明資料來源是必須的，否則就是剽竊。我的理解，博文猶如聊天/擺龍門陣，如果每講一條聽到/讀到的故事/消息，便馬上告訴人家我這是從那兒聽到/讀到的，不單是繁瑣，也沒有人感興趣。老百姓聊天時可以天南地北，也不用必須隻談本專業的題材。那樣不但boring還會曲高和寡。本來是輕鬆愉快的聊天，與感興趣的人分享一些熱門科普，忽然有人以專業為由讓人閉口。這可能在專製國家都少見，更遑論民主自由的美國。其實如果有專業知識也願意分享，完全可以通過或評論或發博文這樣做。如果覺得別人說的不正確，也可以通過同樣的方式指正吧。總之，要尊重人權。要讓人說話。如果你覺得人家的東西是拚湊的，你自己的不也是通過讀/聽後拚湊的嗎？要自重，才能得到別人的尊重。

[一師是個好學校]

如果是純粹談技術也罷了。大不必傷了和氣。如果不是半導體專業的，最好注明資料來源，而不是拚湊一篇文章，僅僅列出參考網站。凡是做半導體的，知道做高壓電源器件的工藝和做高速器件的工藝完全不同，做射頻的更不一樣。十多二十多年前，就知道0.1納米的矽晶體管在美國就已經做出來了。即使有了原始的晶體管，也不一定很快就會商業化。不過現在世界上製程先進的代工廠，早就用12英寸的圓晶了。而不是還在做8英寸的。

[國華P]

回複 '一帖' 的評論 : 其實你完全不用以SiC, GaN 來忽悠老百姓。它們不就是碳化矽(SiC)和氮化镓(GaN)嗎？科普一下：簡單來說碳基半導體就是以碳基作為半導體材料。SiC由純矽和碳組成，與矽相比具有三大優勢：更高的臨界雪崩擊穿場強、更大的導熱係數和更寬的禁帶。SiC具有3電子伏特（eV）的寬禁帶，可以承受比矽大8倍的電壓梯度而不會發生雪崩擊穿。禁帶越寬，在高溫下的漏電流就越小，效率也越高。SiC襯底具有更高的電場強度，因而可以使用更薄的基礎結構，其厚度可能僅為矽外延層的十分之一。此外，SiC的摻雜濃度比矽高2倍，因此器件的表麵電阻降低了，傳導損耗也顯著減少。SiC現已公認為是一種能夠可靠替代矽的技術，並將在不遠的將來投入市場，如許多電源模塊和電源逆變器製造商已在其未來產品路線圖中規劃使用SiC技術。這種寬禁帶技術大幅降低了特定負載下的開關損耗和傳導損耗，改善了散熱管理，提供了前所未有的能效。 半導體製造商正開發多芯片功率模塊或混合模塊，將傳統的矽晶體管和SiC二極管集成在同一物理器件上。由於具有較高的擊穿電壓，這些模塊可以在更高的溫度下工作。它們還能提供高效率，同時進一步縮小設備尺寸。
從目前的市場來看，SiC MOSFET相較於矽IGBT具有係統級優勢，而且，隨著150 毫米晶圓製造被廣泛采用，預計SiC MOSFET的價格還將繼續下降。一些製造商已經開始生產200毫米（8英寸）晶圓。隨著晶圓尺寸的增加，每個裸片的成本將會降低。請指正。最好是能給出實質的解疑，而非用一些術語、代碼蒙老百姓。

[一帖]

圖窮匕見，實出我料。
學界定義的第三代半導體是SiC,GaN為代表的化合物半導體。你說碳納米半導體是第三代半導體，是否張冠李戴？不算誤導，算什麽我尊重你自己的表述。另外，你承認你不是半導體專業，要讚一下你的誠實。

[國華P]

回複 '一帖' 的評論 : 謝謝你。我確實非半導體專業。但這並不妨礙我學習、了解、並與那些對此感興趣的讀者分享有關知識。美國這個尊重言論自由的國家我這樣做合法吧？如果你不戴有色眼睛仔細閱讀，會發現很多資料是來自包括美國在內的來源，尤其是禁接本節之後。請注意本文並非學術論文，不存在誤導誰。倒是你過於敏感，將僅僅是在探討一項新技術的應用前景的博文，聯係到大陸中國。不知道你什麽背景，但希望你記住，在美國，你必須尊重個人言論自由，不要把威脅、訛詐、貶損遵紀守法的公民。否則，你會負法律責任。我想你懂的，是吧。也希望你發博文分享你對碳基半導體的真知灼見。最後，歡迎你繼續閱讀周五的本博文的下一節。

[國華P]

回複 '路邊的蒲公英' 的評論 : 哈哈。

[一帖]

實在不願挫傷您的積極性，因為您化了許多功夫收集資料、圖片、和擬稿。您把許多內容羅到一起也沒什麽錯。但你確實對這一領城沒有professionsl 悟性和視野。對前景的描述是在抄別人（主要是國內）吹的泡沫。不要寫下去更好一些，既節省您的時間和精力，也免了誤導別人。
通常所說的第三代半導體是以SiC, GaN 為代表的wide bandgap 化合物半導體。其中也有碳基的金剛石。應該是八，九十年代起步，已有商業應用如GaN LED, SiC 在電動汽車和電網等。但目前的主要性能離其理論極限還有大約一個數量級的差距。所以大規模商業應用還有性價比的瓶頸
您所講碳納米或石墨硒半導體芯片，雖然很新，但在可見的將來，不會有商業意義上的應用，至少在習夶的有生之年，忽悠他他也不會察覺。打個比方吧，就像量子計算機，不知猴年馬月才能從實驗室走出來。如果有誰說我們跳過up-grade現在電腦，集中資源直接攻關量子計算機，不但彎道超車，而且引領世界，您認為如何？至於為什說很納米芯片很難很快商業應用，就不學術討論了。就算是我的直覺吧，提出來引起您的注意。相信您是一個認真的人，才寫這些供參考。沒有成見和惡意。

[路邊的蒲公英]

WOW， 從參考資料上看，紅軍已經過了六盤山了，長征途中最後一座高山。
“今日長纓在手，何時縛住蒼龍”