矽基集成電路會被終結嗎?

　　集成電路是二十世紀五、六十年代發展起來的一種新型半導體器件。它是經過氧化、光刻、擴散、外延、蒸鋁等半導體製造工藝，把構成具有一定功能的電路所需的電晶體、電阻、電容等元件及它們之間的連接導線全部集成在一小塊矽片上，然後焊接封裝在一個管殼內的電子器件。六十年來，以單晶矽為主的半導體集成電路，已經變得無處不在，成為整個信息技術的強大支柱。依賴於集成電路存在的計算機，手機和其他數字電器成為現代社會結構不可缺少的一部分。集成電路帶來的數字革命是人類歷史中最重要的事件。集成電路的製造以及設計技術的不斷突破也使其本身有了飛速的發展。早在1965年Gordon Moore （英特爾創始人之一）就曾預言：當價格不變時，集成電路上可容納的電晶體數量大約每隔18個月便會翻一番，性能也將提升一倍。回顧從那時到現在這個領域的發展情況，確實如他所說。為提高性能，人們不斷地按照這個規律提高單個晶片上矽電晶體的數量。幾十年來微晶片技術一次又一次地突破了工藝極限，今天，英特爾的第三代處理器已經用上了22納米工藝。 

　　但是，隨著器件特徵尺寸的不斷縮小，特別是在進入到納米尺度的範圍後， 集成電路技術的這種一維發展模式面臨著一系列物理限制的挑戰， 這些挑戰有來自於基本物理規律的物理極限，也有來自於材料、技術、 器件和系統方面的物理限制。矽晶片遲早有一天會因為尺寸無法繼續縮小而走向終結。哪種材料能替代矽晶片呢？科學家們正在尋找新的方向。其中有二個比較可行的候選方案：一個是被稱為「光子集成迴路」或者叫「集成光路」（Photonic Integrated  Circuits)。與集成電路主要不同的是用光子而不是電子作為數據的載體，其傳輸速度快，信息量大。已經製造出一些PICs的器件，成功地用於光通訊，特別是光纖通訊上。但是，由於PICs也是採用光刻技術製造，因此也會遇到器件的臨界尺寸問題。另一個被科學家較為看好的途徑是採用碳納米管 (CNT Carbon Nanotube)來取代矽。 

　　

　　1991年人類首次發現的碳納米管，是一種具有特殊結構（徑向尺寸為納米量級，軸向尺寸為微米量級，管子兩端基本上都封口）的一維量子材料, 是捲成管狀的單層碳原子。碳納米管是碳的一種形態，成分與金剛石、石墨一樣，主要構成成分是碳。是碳的一種同素異形體。碳納米管直徑一般為幾個納米到幾十個納米，管壁厚度僅為幾個納米，像鐵絲網捲成的一個空心圓柱狀「籠形管」。它非常微小，頭髮絲粗細的空間就可以容納數萬個碳原子。其次，碳納米管韌性很高，可以彎折，強度重量比在目前已知的材料中是最高的。碳納米管具有超常的強度、熱導率、磁阻，且性質會隨結構的變化而變化，可由絕緣體轉變為半導體、由半導體變為金屬。其導電性極強 ,是銅的100倍。用碳納米管所製造出的新一代電子元器件，要比矽元器件體積更小、耗能更低且有更強的傳導能力，具有優良的導電性能。而它與電晶體的導電方式和原理不一樣，所以在進行導電的時候，它的能效相對較高。現在使用的電晶體，在導電過程中會漏電，會發熱，這樣就使得其能效比可能只有60%至70%。而碳納米管晶片的能量利用率則比較高，而且發熱也比較低。最近的一項研究結果顯示，在功耗水平相當的條件下，使用碳納米管技術製造的電路在運行速度上要比傳統的矽半導體電路塊5倍以上。 

　　這些年隨著碳納米管及納米材料研究的深入, 製備工藝日趨成熟，其廣闊的應用前景也不斷地展現出來。科學家們首先在試驗室裡成功使用納米管制造出了單個電晶體，但是要把這些單獨的電晶體相互連接在一起，組成較大規模的集成電路則是一件很困難的事。晶片製造者必須找出一種可以大規模的非常精確地排列碳納米管的方法，這樣的電腦晶片才有可能走向實用階段。研究人員提出了一項新的技術能夠使碳納米管靈巧地對準了蝕刻在晶片上的路線。日前，結合化學方法，他們已經可以將單個的碳納米管放置在矽晶片上他們想要放的特殊的溝道裡。在構造碳納米管場效應器件時（CNTFET），在一個晶片上放置了一萬多個碳納米管，能夠達到每平方釐米10億個納米管的密度。而在此之前，科學家們只能同時放置最多幾百個碳納米管，遠遠無法投入商業化。 

　　

　　雖然科學家們樂觀地認為碳納米管技術將在接下來的十年內準備就緒，可以取代矽成為製造晶片的材料，屆時預計半導體晶片的尺寸將縮小至5納米的極限尺寸。但是否能夠成功，現在看來還為時過早。因為除了有許多需要克服的技術障礙外，還有成本以及成品率等問題。何況矽基集成電路的龍頭老大英特爾公司還在堅持繼續走自己的路，大有不到黃河心不死的氣勢。他們的工程師和科學家相信，矽晶片的尺寸還有繼續縮小的空間，至少目前的情況是這樣的。