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机器之心|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( 三 )


比如 ， 采用90纳米工艺的碳基芯片有望制备出性能和集成度相当于28纳米技术节点的硅基芯片；采用28纳米工艺的碳基芯片则可以实现等同于7纳米技术节点的硅基芯片 。
「我们的碳基半导体研究是代表世界领先水平的 。 」彭练矛在接受采访时表示 。 与国外硅基技术制造出来的芯片相比 ， 我国碳基技术制造出来的芯片在处理大数据时不仅速度更快 ， 而且至少节约30%的功耗 。
三 碳纳米管从美国实验室走向工业场景
硅晶体管尺寸的不断缩小 ， 推动着电子技术的进步 。 当摩尔定律走到尽头 ， 硅晶体管缩小变得越来越困难 。
以半导体碳纳米管为基础的晶体管 ， 作为先进微电子器件中硅晶体管的替代品 ， 与金属氧化物半导体场效应管（MOSFET）类似 ， 它成为构建下一代计算机的基本单元 。
当然 ， 尽管碳纳米管场效应晶体管（CNFET）比硅场效应晶体管更节能 ， 但它们目前仍大多存在于实验室当中 。 现在 ， 麻省理工学院Shulaker研究团队通过对标准纳米管沉积溶液工艺进行优化 ， 将少量的纳米管溶液沉积在晶圆上 ， 显著提高了吞吐量 ， 加快了沉积过程的速度超过1,100倍 ， 同时降低了成本 。
这使他们能够在商业硅制造厂和大批量半导体代工中制造碳纳米管场效应晶体管 。
机器之心|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
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Max M. Shulaker是2013年第一台碳纳米管计算机研究成果第一作者；于2016年加入MIT担任助理教授 ， 继续开展碳纳米管相关的研究 。
目前 ， 将碳纳米从实验室转移到工业场景面临的核心挑战在于：所有用于制造碳纳米管场效应晶体管的材料和工艺必须满足硅基商业制造设施的严格的兼容性要求 ， 更深层次的挑战还在于 ， 如何在工业标准基板尺寸（200mm直径的晶圆及以上）上均匀地沉积碳纳米 。
要实现这种碳纳米沉积技术必须满足三个条件：
一是在保证规模化生产的同时 ， 最大限度地降低成本；
二是要能够利用现有设备 ， 不引入禁止的化学污染物或微粒；
三是要实现比同等尺寸硅基更强的性能 。
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在实验室中构建CFNET的最有效的方法之一是纳米管沉积方法 ， 即将晶圆浸泡在纳米管液中 ， 直到纳米管粘在晶圆表面 。
碳纳米管场效应晶体管(CNFETs)的性能在很大程度上是由沉积工艺决定的 ， 它影响着晶圆表面碳纳米管的数量和方向 。 "它们 "要么以随机的方向粘在晶圆上 ， 要么全部排列在同一方向 。
这种沉积方法虽然对工业界来说很实用 ， 但根本无法使纳米管对齐 。 通过对沉积过程的仔细观察 ， 研究人员发现干式循环 ， 一种间歇性地干燥浸泡晶圆的方法 ， 可以将沉积时间从48小时大幅缩短到150秒 。
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通过ACE方法培养提高碳纳米管沉积的方法 。
于是 ， 他们提出了ACE（通过蒸发人工浓缩） ， 将少量的纳米管溶液沉积在晶圆上 ， 而不是将晶圆浸泡在槽中 。 溶液的缓慢蒸发增加了碳纳米管的浓度和沉积在晶圆上的纳米管的总体密度 。
目前 ， 研究人员与商业硅制造厂Analog Devices和半导体代工厂SkyWater Technology合作 ， 使用改进后的方法制造出了CNFET 。 他们能够使用这两家工厂制造硅基晶圆所使用的相同设备 ， 同时也确保了纳米管溶液符合这两家工厂对化学和污染物的严格要求 。
值得注意的是 ， 该研究产出的并非传统意义上的计算机芯片 ， 仅是制造工艺的演示 ， 而且晶体管的栅极长度（即制程）为130nm ， 相当于2001年代的芯片工艺 。 新工艺也只实现了45个纳米管/微米 ， 这仍然明显低于之前研究人员预测的200个的最佳密度 。


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