我國團隊創新碳納米管制備方法:純度達99.9999%,陣列密度達120/微米

2020-11-22 手機鳳凰網

文 | 董溫淑

智東西5月27日消息，近日，北京元芯碳基集成電路研究院研發了一種全新的碳納米管制備方法。使用該方法製備的碳納米管純度可達到99.9999%，陣列密度達到120/微米。通過這一技術，研究人員有望將集成電路技術推進到3nm節點以下。

北京元芯碳基集成電路研究院是在北京市科委指導下，由北京大學等單位發起的集成電路研發機構，研究成果有完整的碳基集成電路技術和三維光電集成系統等。

對於這項研究成果，研究團隊領導者、北大教授、中科院院士彭練矛稱，目前已有多家廠商對這項碳納米管制備技術表現出興趣，雙方正在進行溝通，計劃在未來2～3年內投資一到兩億元建設工藝先導線。

這項研究發表在權威學術期刊《Science》上，論文標題為《用於高性能電子學的高密度半導體碳納米管平行陣列（Aligned, high-density semiconducting carbon nanotube arrays for high-performance electronics）》。

論文連結：https://science.sciencemag.org/content/368/6493/850

一、碳管之殤：性能超越矽管，但純度、陣列密度難提升

摩爾定律預言，集成電路上可容納的電晶體數目約每隔兩年會增加一倍。電晶體數目越多，集成電路的計算性能越強，相應就能帶來更多經濟效益。目前的集成電路市場上，矽基半導體是主流。研究人員通過改進電晶體架構方式，使矽基半導體的製程工藝朝3nm邁進。但是，由於矽基電晶體的材料限制，進一步提升電晶體密度將會越來越難。因此，有人提出，可以用其他材料製備電晶體，以進一步提升電晶體密度。

研究人員認為，在各種創新材料中，碳基材料適合承擔製備電晶體的任務。1998年，美國一項研究證實，碳納米管直徑在1nm左右，長度可以做到很長，能夠滿足摩爾定律繼續發展的要求。2017年，北京元芯碳基集成電路研究院一項研究證明，碳納米管集成電路的運行速度可達到矽電晶體集成電路的5倍以上。2018年，北京元芯碳基集成電路研究院進一步證明了碳納米管集成電路的功耗僅有矽電晶體集成電路的1/3。

儘管早在1998年，學界就證明了碳納米管的直徑可以做到比矽電晶體更小。但是，22年過去，碳納米管集成電路研究領域始終沒有激起什麼「大水花」。這是因為碳納米管在純度、陣列密度方面的技術瓶頸難以攻破。

據北大電子系教授張志勇講解，為了滿足大規模高性能集成電路的導電性要求，需要半導體碳管純度達到大於99.9999%、或者金屬型碳管含量小於0.0001%。另外，為了滿足摩爾定律進一步發展的要求，還要找到一種高取向陣列方法，提升碳納米管的排列密度。現有技術水平無法製備出同時符合這兩項要求的碳電晶體。

二、兩道工藝解痛點，碳電晶體排列首次位於可實用化區間

本項研究中，研究人員用兩道工藝實現了半導體碳管陣列：用多次聚合物分散和提純工藝得到超高純度碳納米管溶液，用維度限制自排列法提升碳納米管的陣列密度。

在多次聚合物分散和提純工藝中，研究人員採用PCz作為碳管的分散劑，反覆3次進行分散、提純、抽濾、清洗的步驟。

▲多次聚合物分散和提純

維度限制自排列工藝製備碳管的裝置是一個全自動機械臂，夾住碳管從溶液中以固定緩慢的速度勻速拉出。

▲維度限制自排列法

通過這種方法，研究人員在4英寸晶圓上製備出直徑分布1.45±0.23nm的碳納米管陣列，並對其進行測試。

研究人員用光譜表徵電晶體純度，對200萬根溝道中的碳管進行測試。測試結果中沒有顯示出金屬管的跡象，這說明半導體純度定量高於99.9999%。

▲半導體純度定量高於99.9999%

對碳管陣列的平行度表徵顯示，碳電晶體陣列實現了在器件溝道中的密排要求，碳管陣列的密度達到120/微米。

▲碳管陣列的密度達到120/微米

研究人員稱，這種方法製備的碳電晶體陣列同時在密度和純度上達到了要求，是國際上首次位於可實用化區間內的解決方案。

三、碳電晶體集成電路性能超越矽基電路

基於這種方法，研究人員批量製備了場效應電晶體和環形振蕩器電路。結果顯示，100nm柵長的碳基電晶體跨導和飽和電流分別達到了0.9mS/㎛和1.3mA/㎛。室溫下，亞閾值擺幅為90mV/dec。研究人員還批量製備了五階環形振蕩器電路，成品率超過50%，最高震蕩頻率達到8.06Hz。

研究人員稱，這一結果遠超已發表的基於納米材料的電路，而且首次超越了相似尺寸的矽基CMOS器件和電路。

結語：碳基電晶體進一步發展需要產業力量推動

北京元芯碳基集成電路研究院的研究人員研發了一種碳納米管制備方法，通過這種方法製備的碳納米管的純度和陣列密度都達到了世界領先水平。研究人員表示，目前正與感興趣的廠商積極接洽，期待能夠藉助行業力量推動碳納米管技術最終工業化、產業化。

同時，研究人員也坦承，這種碳納米管制備方法還僅是一項學術成果，距離產業化有不小的距離。他說：「如果兩三年大家都到位的話，我相信很快就能把它（工藝先導線）做出來……但最終工業化、產業化的事情需要市場來決定。」他表示，研究團隊缺乏做產品的經驗，期待全鏈條的產業力量積極介入。

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