摩尔定律终结？下一代芯片技术发展的出路在哪里？「碳」或许能给我们答案_风闻

原创：中科院物理所

（图片来源：neatoshop.com）

摩尔定律

摩尔定律

摩尔定律是由英特尔创始人之一戈登·摩尔（Gordon Moore）提出来的。其内容为：当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。这一定律揭示了信息技术进步的速度。

摩尔定律告诉我们，集成电路特征尺寸随时间是按照指数规律缩小的。可以说，它是集成电路发展的风向标。如果硅基芯片走到“穷途末路”，就意味着芯片上所能容纳的元器件数目达到了极限，那么芯片性能也就无法继续提升了。通俗一点，计算机更新换代的时代就结束了。这听起来非常耸人听闻，但却的确是一个切实而严峻的问题。

大家一定很好奇，为什么摩尔定律就走到头了，特征尺寸不能在继续小下去，这就要回到我们所用的硅基材料的问题上。

硅基CMOS技术

CMOS 是 Complementary Metal Oxide Semiconductor（互补金属氧化物半导体）的缩写，它是指制造大规模集成电路芯片用的一种技术或用这种技术制造出来的芯片。而硅基CMOS就是以硅为衬底的芯片。

高性能电子型和空穴型场效应晶体管（field effect transistor, FET）的制备及集成是硅基CMOS技术的核心。晶体管尺寸的减小会导致器件加工越来越困难，其中有两大问题：一是器件的加工精度，二是半导体材料掺杂的均匀性。

首先，器件的加工精度遇到了问题。这其实很容易理解，芯片上晶体管的尺寸越来越小，加工自然越来越难，技术要求也越来越多。

其次，硅这种半导体材料的均匀掺杂遇到了问题，尤其是当期间尺寸达到纳米量级。半导体材料的掺杂是为了实现器件的电学性质，掺杂出现了问题，必定会严重影响晶体管电学性质的性能和稳定性。

硅基CMOS技术遇到瓶颈，摩尔定律面临极限，那么大家最想问的一定是：这个问题是否就无解了？

IBM公司曾在2015年度的国际固态电路会议上宣布，微电子工业走到7纳米技术节点时将不得不放弃使用硅作为支撑材料，非硅基纳电子技术将会兴起。IBM 的系统计算表明，相比于硅芯片，10纳米技术节点碳纳米管芯片在性能和功耗方面都有明显改善。

例如，从硅基7纳米技术到5纳米技术，芯片速度大约提升20％ ；而相比硅基7纳米技术，碳纳米管7纳米技术的芯片速度将提升300％。IBM 甚至宣布，由碳纳米管构成的芯片将于2020年之前成型 。

作为与硅同为四族元素的碳，似乎成了未来的希望。那问题又来了，为什么是碳基材料？下面我们一起来看一下碳基材料的优势。

碳基材料的优势及挑战

电子学中的碳基材料主要有碳纳米管、石墨烯、富勒烯。我们主要给大家介绍一下呼声最高的碳纳米管和石墨烯。

1碳纳米管

碳纳米管

碳纳米管是在1991年由日本筑波NEC实验室的物理学家饭岛澄男发现的。它是一种管状的碳分子，按照管子的层数不同，分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。管子的半径方向非常细，只有纳米尺度，几万根碳纳米管并起来也只有一根头发丝宽，碳纳米管的名称也因此而来。而在轴向则可长达数十到数百微米。

碳纳米管具有极其优异的电学、光学、热学、磁学以及力学性能，是理想的纳电子和光电子材料。为什么这么说呢？我们不妨来看一个参数：

室温下，硅基场效应管的电子迁移率是1000 cm/(V·s)，而碳纳米管场效应管中电子迁移率可以达到100000 cm/(V·s)，是硅基场效应管的100倍左右。

而电子迁移率主要影响到晶体管的两个性能：一是电导率，迁移率越大，电阻率越小，通过相同电流时，功耗越小，电流承载能力就越大。二是影响器件的工作频率，提高载流子迁移率，可以降低功耗，提高器件的电流承载能力，同时提高晶体管的开关转换速度。

这只是碳纳米管众多优越性质中的一个，它还具有很多其他优异的性能，例如导电性能、导热性能等等。但是管中窥豹，可见一斑，相比于硅基材料，它的性能确实非常优越，因此也成为了碳基材料的热门候选。

2石墨烯

石墨烯

石墨烯是一种由碳原子组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，厚度只有一个碳原子。2004年英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，成功地在实验中从石墨中用胶带粘出了石墨烯（对，没错，就是用胶带粘）。

在此之前，石墨烯这种结构被认为不能稳定存在，一经发现，立刻引起了研究的热潮。不过，我们在这里主要关注石墨烯在电子学中的应用。

和碳纳米管类似，室温下石墨烯同样具有远高于商用硅片的高载流子迁移率，并且噪声很低，受温度和掺杂效应的影响很小，非常适合用于晶体管的制造。

石墨烯电子的费米速度和很低的接触电阻则有助于进一步减小器件开关时间，使得由石墨烯制成的纳电子器件能够有超高频率的操作响应。

除此之外，它还有许多优越的力学性质，比如在物理方面的弹性模量可达1 TPa，自身的强度是130 GPa，因此非常适合用于设备制造。现在，石墨烯的场效应晶体管已经能用标准化的光刻方法制备。

除了在用于制造晶体管，石墨烯还有很多其他的优越性质，使它能够在电子学其他领域大展拳脚，例如它良好的透光率和导电性，可以作为透明电极用于发光二极管，大大减少透明电极薄膜的厚度等等。

简而言之，碳基材料真看起来非常优秀，但为什么目前仍然没有大规模应用呢？一方面是目前硅基材料还没有达到极限，研发和更换生产线需要各个公司投入大量成本；另一方面，它本身在应用方面也面临很多挑战，比如各种材料的制备，能隙控制，载流子浓度控制等等。但针对这些问题，世界各地的科研团队都在努力探索，并给出了初步的解决方法，在我们的有生之年能够看到碳基材料应用于我们的日常生活还是非常有希望的。

参考文献

[1] 彭练矛. 2020年之后的电子学:碳基电子学的机遇和挑战[C]// 中国真空学会2012学术年会论文摘要集. 2012.

[2] 廖志宇. 单层石墨烯在场效应晶体管中的应用研究[D]. 湖南大学, 2011.

[3] https://wenku.baidu.com/view/80858e1d03020740be1e650e52ea551810a6c995.html