第三代半导体碳基芯片 (II) 碳基半导体

前文提及碳基半导体与现在的硅基半导体比较，其制备成本更低，但运行功耗更低，效率却更高，是一种更好的半导体材料，因而很可能是下一代晶体管集成电路的最理想材料 (图 Google Images)。如果碳基半导体研制成功，芯片内部的晶体管栅极 (Gate) 就不再是硅，而会是碳了！

碳基半导体材料是1991年被日本物理学家饭岛澄男偶然发现地 (图 Google Images)。当时饭岛澄男就职于日本筑波市的日本电气 (NEC) 基础研究所，从事纳米科学、电子显微镜学研究。一天，饭岛用高分辨透射电子显微镜，观测用电弧法产生的碳纤维产物，意外发现了碳纳米管，它呈六边形排列的碳原子构成的单层或者多层圆管 (图 Google Images)。经深入分析研究发现，在制备高性能晶体管方面，碳纳米管具有超高的电子和空穴迁移率、原子尺度的厚度以及稳定的结构等优势。2011年，饭岛澄男入选为中国科学院外籍院士，此乃题外话 (重视人才?)。

饭岛澄男的发现让正为摩尔定律终结所困扰的半导体业界大为振奋，纷纷出资投向碳纳米管晶体管的研究。对碳纳米半导体材料的研究由此如火如荼般展开，并不断取得进展，尤其是在世界的超级科技大国美国 (图 Google Images)。

对碳纳米管半导体技术的研发注定不会一帆风顺的，因为要实现大规模高性能集成电路，对碳纳米管的品质要求非常严苛。杜克大学 (Duke University ) 教授亚伦·富兰克林 (Aaron Franklin) (图 Google Images) 在其2013年发表于《自然》(Nature) 的一篇评述性文章中提出了碳纳米管的量化指标，即半导体纯度超过99.9999% (6个9)、密度达到100-200每微米。杜克大学目前也是国际上攻关碳纳米管集成电路的主要研究阵地之一 (图 Google Images)。

具体来说，为了满足大规模高性能集成电路的要求，需要碳纳米管晶体管同时满足：

1、排列和密度方面，需要一种高取向阵列方法，要求在1微米中放下100至200根碳纳米管，以保证晶体管数目；

2、纯度方面，需要半导体纯度大于99.9999%、或者金属型碳管含量小于0.0001%，以保证半导体性。

实践证明，有了正确的技术路线，持续地投入资金和人才，各种困难、障碍都是可以克服和超越的。这不，1998年，IBM研究人员制作出全球第一只碳纳米管晶体管，之后更持续投入资源推进研制碳纳米管晶体管。2012年，IBM研究人员制造出一个沟道长度为9nm的碳纳米管晶体管。这是世界上首个可以在10nm节点以下工作的晶体管。同年，IBM基于标准半导体制程，研发出了将超过1万个碳纳米管晶体管集成到一颗硅芯片中的技术。他们发现碳纳米晶体管的电子比硅质设备运行得更快，是晶体管最理想的结构形式。基于其科研实践和理论分析，IBM科学家2012年10月28日宣布，他们最新研制的碳纳米管芯片符合“摩尔定律”周期，即计算机芯片每18个月集成度翻番，价格减半 (图 Google Images)。

未完待续

参考资料

北京碳基集成电路研究院. (2020). 5纳米碳纳米管CMOS器件研制成功. 链接 http://www.bicic.com.cn/article/105

董温淑. (2020). 中国碳基半导体研究团队再登顶刊！为3nm制程提供另一种选择. 搜狐. 链接 https://www.sohu.com/a/415044632_115978

麦洛. (2020). 专访北大碳基芯片团队：我们换道走了20年，觉得能走下去. 北京大学新闻网. 链接 https://news.pku.edu.cn/mtbdnew/ee024da5367d47a9a2ffebb8a3d3df12.htm

萧凯承. (2020). 碳基芯片或许是中国芯片“换道超车”之路. 知乎. 链接 https://zhuanlan.zhihu.com/p/145522573

吴昕，力琴. (2020). 北大与MIT硬核较量：后摩尔时代,「碳基半导体」成为中美竞逐新焦点.  澎湃. 链接 https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_7722174

Atherton, K. (2020). Should US Pay Semiconductor Makers To Compete Vs. China? BREAKING DEFENSE. 链接 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). 链接 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. 链接 https://news.mit.edu/2020/carbon-nanotube-transistors-factory-0601

MIT Technology Review/科技评论. (2020). 北大 vs 麻省理工学院！全球两大顶级碳基芯片团队已低调开启另一场“芯片竞速赛” | 专访. 链接 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. 链接 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. 链接 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. 链接 https://www.nature.com/news/the-chips-are-down-for-moore-s-law-1.19338

 

[国华P]

回复 'wenxueOp' 的评论 : 谢谢。

[wenxueOp]

接受专业人士的意见，应该不错。
不过专业人士提出的意见，怎么读来并不太专业呢？
或许辩论的手法不专业，茶壶装饺子？
楼主请继续，骡子或马不妨领出来走两圈。

[国华P]

回复 '我住长江边' 的评论 : 谢谢。

[我住长江边]

我也要帮楼主说一句公道话。文学城不是正规杂志，没有规定只有专业人士才能写专业文章。楼主抛砖引玉，专业人士可以开展专业评论，但不要讽刺打击。同时，楼主虚心听取各方意见就好了。百花齐放 百家争鸣！

[国华P]

回复 '一师是个好学校' 的评论 : 谢谢你这位“半导体专业“的对我如此看重。还是那句话，好好在半导体研发做出点科研成果，尊重言论自由。我还有很多博文，涵盖旅游、演艺界，...欢迎你全读一遍，然后分享你的”动察力“。开心：-）

[一师是个好学校]

回复 '国华P' 的评论 : 想不到博主是这样的吃相。博主认识总统，不代表你可以做总统。不懂不要装懂，抄不像，就不要抄。你的帖子放在文学城，本来就是给别人看的。却说你没有强迫别人读。这个就是一种强盗逻辑，就像一个强盗抢了路人，反而说路人为什么撞到这个强盗的枪口上了！so long!

[国华P]

回复 '我住长江边' 的评论 : 接受意见。谢谢。

[我住长江边]

应该说，楼主敢于评论不是自己专业的热门话题，做了不少的准备工作，勇气和精神可嘉，也确实是他的自由。不过呢，如果是我，虚心听取一下专业人士的意见，应该有好处。尊敬知识，尊重专业，是放之四海皆准的标准，不因人而异，因地而异

[国华P]

回复 '一师是个好学校' 的评论 : 刚刚读到今天文学城一篇标题为“美政府秘密调查文学城？斯坦福再出专文得结论”（链接：https://www.wenxuecity.com/news/2020/09/30/9917045.html）的消息。非常感谢文学城给华人提供一处能自由分享观点的地方。也愿给那些习惯或企图阻扰老百姓自由发表意见的人提个醒，如果你倒行逆施，不认同这个国家的价值观，最好去/回到与你有同样价值观的地方。否则，你要么连累无辜文学城爱好者，要么get caught and be expelled。

好了，问'一师是个好学校'一个问题：文学城博客是一学术地儿吗？我有强迫你或一帖阅读我的博文了吗？我有向你或一帖推销任何东西吗？博客难道不是有闲暇，有兴趣的博主分享天文、地理、科技、文化、时事政经的平台吗？可是评论却傲慢的说”实在不愿挫伤您的积极性,...但你确实对这一领城没有professionsl 悟性和视野。...在抄别人（主要是国内）吹的泡沫。不要写下去更好一些，既节省您的时间和精力，也免了误导别人。...在习夶的有生之年，忽悠他他也不会察觉。...至于为什说很纳米芯片很难很快商业应用，就不学术讨论了。“ 你或一帖完全可以在评论或独立博文中写出你（们，如果是两个人的话）认为正确的。更重要的是，你或一帖有professionsl 悟性和视野，可以在专业杂志去发表论文，去争取研发资金啊。在这儿与“没有professionsl 悟性和视野”的我抬杠要么是浪费时间，要么是没地儿去，却偏要在这儿“鹤立鸡群”。

你说你就是搞半导体的，没有看到你的credential，但选择相信你。其实搞什么不重要，做人是最重要的。因为这里人才济济，我身边有搞力学的，可以用于火箭/导弹的力学，也有搞微观世界的，应用于隧道扫描，也有医学的。可我自己，就一臭皮匠，这重要吗？文学城不会因我的职业、家庭、经济状况而不让我发言。自由社会，懂吗？要习惯言论自由，要改掉压制的习惯。好了，希望对你在文学城的言行博客有一丢丢的...你懂的。

[一师是个好学校]

前面有人评论，也是谈了自己的看法。博主反而指责别人威胁,讹诈。明眼人一看就清清楚楚。
老实说，俺就是搞半导体的。听你说8英寸圆晶先进，所以对你的水平就一目了然。

[国华P]

回复 '一师是个好学校' 的评论 : 谢谢你的建议。如果是专业学术文章，我觉得注明资料来源是必须的，否则就是剽窃。我的理解，博文犹如聊天/摆龙门阵，如果每讲一条听到/读到的故事/消息，便马上告诉人家我这是从那儿听到/读到的，不单是繁琐，也没有人感兴趣。老百姓聊天时可以天南地北，也不用必须只谈本专业的题材。那样不但boring还会曲高和寡。本来是轻松愉快的聊天，与感兴趣的人分享一些热门科普，忽然有人以专业为由让人闭口。这可能在专制国家都少见，更遑论民主自由的美国。其实如果有专业知识也愿意分享，完全可以通过或评论或发博文这样做。如果觉得别人说的不正确，也可以通过同样的方式指正吧。总之，要尊重人权。要让人说话。如果你觉得人家的东西是拼凑的，你自己的不也是通过读/听后拼凑的吗？要自重，才能得到别人的尊重。

[一师是个好学校]

如果是纯粹谈技术也罢了。大不必伤了和气。如果不是半导体专业的，最好注明资料来源，而不是拼凑一篇文章，仅仅列出参考网站。凡是做半导体的，知道做高压电源器件的工艺和做高速器件的工艺完全不同，做射频的更不一样。十多二十多年前，就知道0.1纳米的硅晶体管在美国就已经做出来了。即使有了原始的晶体管，也不一定很快就会商业化。不过现在世界上制程先进的代工厂，早就用12英寸的圆晶了。而不是还在做8英寸的。

[国华P]

回复 '一帖' 的评论 : 其实你完全不用以SiC, GaN 来忽悠老百姓。它们不就是碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)吗？科普一下：简单来说碳基半导体就是以碳基作为半导体材料。SiC由纯硅和碳组成，与硅相比具有三大优势：更高的临界雪崩击穿场强、更大的导热系数和更宽的禁带。SiC具有3电子伏特（eV）的宽禁带，可以承受比硅大8倍的电压梯度而不会发生雪崩击穿。禁带越宽，在高温下的漏电流就越小，效率也越高。SiC衬底具有更高的电场强度，因而可以使用更薄的基础结构，其厚度可能仅为硅外延层的十分之一。此外，SiC的掺杂浓度比硅高2倍，因此器件的表面电阻降低了，传导损耗也显著减少。SiC现已公认为是一种能够可靠替代硅的技术，并将在不远的将来投入市场，如许多电源模块和电源逆变器制造商已在其未来产品路线图中规划使用SiC技术。这种宽禁带技术大幅降低了特定负载下的开关损耗和传导损耗，改善了散热管理，提供了前所未有的能效。 半导体制造商正开发多芯片功率模块或混合模块，将传统的硅晶体管和SiC二极管集成在同一物理器件上。由于具有较高的击穿电压，这些模块可以在更高的温度下工作。它们还能提供高效率，同时进一步缩小设备尺寸。
从目前的市场来看，SiC MOSFET相较于硅IGBT具有系统级优势，而且，随着150 毫米晶圆制造被广泛采用，预计SiC MOSFET的价格还将继续下降。一些制造商已经开始生产200毫米（8英寸）晶圆。随着晶圆尺寸的增加，每个裸片的成本将会降低。请指正。最好是能给出实质的解疑，而非用一些术语、代码蒙老百姓。

[一帖]

图穷匕见，实出我料。
学界定义的第三代半导体是SiC,GaN为代表的化合物半导体。你说碳纳米半导体是第三代半导体，是否张冠李戴？不算误导，算什么我尊重你自己的表述。另外，你承认你不是半导体专业，要赞一下你的诚实。

[国华P]

回复 '一帖' 的评论 : 谢谢你。我确实非半导体专业。但这并不妨碍我学习、了解、并与那些对此感兴趣的读者分享有关知识。美国这个尊重言论自由的国家我这样做合法吧？如果你不戴有色眼睛仔细阅读，会发现很多资料是来自包括美国在内的来源，尤其是禁接本节之后。请注意本文并非学术论文，不存在误导谁。倒是你过于敏感，将仅仅是在探讨一项新技术的应用前景的博文，联系到大陆中国。不知道你什么背景，但希望你记住，在美国，你必须尊重个人言论自由，不要把威胁、讹诈、贬损遵纪守法的公民。否则，你会负法律责任。我想你懂的，是吧。也希望你发博文分享你对碳基半导体的真知灼见。最后，欢迎你继续阅读周五的本博文的下一节。

[国华P]

回复 '路边的蒲公英' 的评论 : 哈哈。

[一帖]

实在不愿挫伤您的积极性，因为您化了许多功夫收集资料、图片、和拟稿。您把许多内容罗到一起也没什么错。但你确实对这一领城没有professionsl 悟性和视野。对前景的描述是在抄别人（主要是国内）吹的泡沫。不要写下去更好一些，既节省您的时间和精力，也免了误导别人。
通常所说的第三代半导体是以SiC, GaN 为代表的wide bandgap 化合物半导体。其中也有碳基的金刚石。应该是八，九十年代起步，已有商业应用如GaN LED, SiC 在电动汽车和电网等。但目前的主要性能离其理论极限还有大约一个数量级的差距。所以大规模商业应用还有性价比的瓶頸
您所讲碳纳米或石墨硒半导体芯片，虽然很新，但在可见的将来，不会有商业意义上的应用，至少在习夶的有生之年，忽悠他他也不会察觉。打个比方吧，就像量子计算机，不知猴年马月才能从实验室走出来。如果有谁说我们跳过up-grade现在电脑，集中资源直接攻关量子计算机，不但弯道超车，而且引领世界，您认为如何？至于为什说很纳米芯片很难很快商业应用，就不学术讨论了。就算是我的直觉吧，提出来引起您的注意。相信您是一个认真的人，才写这些供参考。没有成见和恶意。

[路边的蒲公英]

WOW， 从参考资料上看，红军已经过了六盘山了，长征途中最后一座高山。
“今日长缨在手，何时缚住苍龙”