當前智能手機、電腦登電子設備已成為人們生活中不可或缺的一部分,更高的運行速度、更加持久的用電量一直是我們追求的目標,如何實現這些更優的性能,離不開晶體管研究領域的技術突破。

為打破傳統硅基芯片發展面臨的物理制約瓶頸,科學家們近年來開始研究替代硅基芯片的新型材料,碳基晶體管以其優越的性能,成為提高計算機運行速度,降低電子設備功耗的一代新星。但是,多年來一直面臨制造工藝、材料等方面的發展難題。

9月25日,美國加州大學伯克利分校和勞倫斯伯克利國家實驗室(Berkeley Lab)的物理學系教授Crommie、化學系教授Fischer及其同事在Science上發表了一項最新研究成果,這個由化學家和物理學家組成的團隊創造出了一種完全由碳制成的金屬線。

這種金屬線為制造碳基電路的工具箱提供了最后一個工具,該創造必將加速推進碳基晶體管的研究進程,為碳基計算機的制造奠定堅實的基礎。
加州大學伯克利分校化學系教授Felix Fischer表示:“在碳基材料(Carbon-Based Materials)領域內,將同種材料整合到一起的技術是關鍵所在。”他指出,用同一種材料制造所有電路元件的能力會使制造變得更加容易,而這一直是全碳基集成電路架構中缺少的關鍵因素之一。

碳基半導體時代的開啟

上世紀五六十年代,集成電路開始迅速發展,半導體制造工藝技術不斷提升,一小塊芯片上集成的晶體管數目不斷增加,摩爾定律穩步發展。
進入21世紀,信息技術飛速發展,芯片性能不斷提高,尺寸也在不斷變小上實現一次次的突破,以單晶硅為主的半導體集成電路已成為整個信息技術的強大支柱。

但芯片尺寸的不斷減小,也增加了相關工藝的難度,尤其是到了納米級材料,受材料、技術、 器件等方面的物理限制,傳統的硅基晶體管發展速度放緩。

近幾年,對于硅基芯片發展中,摩爾定律面臨的物理瓶頸日趨嚴重,研究人員開始逐步探索碳納米晶體管的研發。與硅基晶體管相比,碳基晶體管具有成本低、功耗小、效率高的顯著優勢。理論上來說,碳晶體管的極限運行速度是硅晶體管的5-10倍,而功耗方面,卻只是后者的十分之一。

所謂碳納米管,是一種1991年被發現的新型材料,由呈六邊形排列的碳原子構成的單層或者多層圓管。在制備高性能晶體管方面,它具有超高的電子和空穴遷移率、原子尺度的厚度、以及穩定的結構等優勢。

我國碳基芯片的研究起步較早,代表研究機構有中科院、北京大學、清華大學等。

早在2017年,北京大學電子系教授彭練矛課題組就實現了用碳納米管研制出了晶體管,而且其工作速度相當于英特爾最先進的14納米商用硅材料晶體管的3倍,能耗僅占1/4。

彭練矛教授曾說:“我們在碳基集成電路這條路上走了二十年,還沒有看到什么令我們覺得走不下去的障礙。”

超窄納米帶金屬線

隨著這些年碳基晶體管研究的不斷深入,相關工藝日趨成熟,實驗室級的碳晶體管不斷被研發出來,想要把這些獨立的碳基晶體管大規模的連接在一起形成一塊完整的芯片,因為關鍵部件——金屬線制造技術的不成熟,使得其成為一件相當困難的事情。

金屬線就像計算機芯片中用于連接晶體管的金屬通道一樣,將晶體管中的電子從一端傳導到另一端,作為計算機的基本組成部分,晶體管也因此得以實現半導體元件的互連。

加州大學伯克利分校的研究團隊多年來一直致力于研究如何使用石墨烯納米帶制造半導體和絕緣體。

石墨烯納米帶是由原子厚度的石墨烯組成的一維窄條,這種結構完全由碳原子組成,排列成相互連接的六角形,類似于雞肉線。

新研發的碳基金屬也是一種石墨烯納米帶,但設計時著眼于在全碳晶體管的半導體納米帶之間傳導電子。Fischer的同事、加州大學伯克利分校物理學教授Michael Crommie說,金屬納米帶是采用一種自下而上的方法,利用較小的相同結構單元組裝而成的結構。每個結構單元均貢獻一個電子,該電子可沿納米帶自由流動。

雖然其他碳基材料也可以是金屬的,比如擴展的二維石墨烯片和碳納米管。但它們各自存在問題,例如,將二維石墨烯片材重塑成納米級的條帶,就會自發地將它們變成半導體,甚至是絕緣體。

碳納米管卻是一種極好的導體,但無法像納米帶那樣,以同樣的精度和可重復性進行大量制備。

Crommie說:“納米帶可以便于我們利用自下而上的制造方式,以化學方式獲得各種各樣的結構,這是納米管還無法實現的一點。這樣我們基本上可以將電子縫合在一起,以創建金屬納米帶,這也是以前從來沒有做過的事情。這不僅是石墨烯納米帶技術領域的重大挑戰之一,也是我們感興趣的原因之一。”

金屬石墨烯納米帶具有寬的、部分填充的金屬電子帶特征,在電導率上應該與二維石墨烯本身相當。

“我們認為金屬線確實是一項突破,這是我們第一次可以有意識地用碳基材料創造出一種超窄的金屬導體,這種導體是一種良好的本征導體,而無需外部摻雜。”Fischer補充道。

調整拓撲結構

自上世紀五六十年代以來,硅基集成電路為計算機提供了越來越快的速度和更優的性能。但是近十年來,半導體上可集成的晶體管數目增長速度明顯放緩,摩爾定律被不斷質疑是否已到了窮途末路,當前的硅基半導體技術正在不斷達到物理極限。

與此同時,想要降低電路的功耗也變得越來越難,計算機已經成了全球能源的一大消耗設施。Fischer 說,與硅基計算機相比,碳基計算機的切換速度有可能會加快很多倍,而功耗卻很小。

純碳的石墨烯是下一代碳基計算機的主要競爭者,窄帶的石墨烯主要是半導體,面對絕緣體完全不導電和金屬完全導電的兩個極端,如何將它們同時用作絕緣體和金屬,以完全由碳構成晶體管和處理器,成為一大挑戰。

幾年前,Fischer和Crommie與理論材料科學家、加州大學伯克利分校物理學教授Steven Louie合作,發現了連接小長度納米帶的新方法,從而可靠地創造了全方位的導電特性。從而可靠地創建了整個導電性能域。

兩年前,該團隊證明,通過以正確的方式連接納米帶的短段,可以將每段中的電子排列成一個新的拓撲狀態(一種特殊的量子波函數),從而產生可調諧的半導體特性。

在這項新工作中,他們使用類似的技術將納米帶的短段縫合在一起,創造出一種長數十納米、寬僅一納米的導電金屬線。

寬帶金屬石墨烯納米帶(GNR)的電子顯微鏡圖像

圖中每個突簇對應了一個單獨占據的電子軌道,在每個簇附近形成五邊形環會使得金屬GNR的電導率增加十倍以上, GNR主干的寬度為1．6納米。

這些納米帶材是通過化學方法創建的,并使用掃描隧道顯微鏡在非常平整的表面上成像。簡單的加熱就可以誘導分子發生化學反應,并以正確的方式連接在一起。Fischer將菊花鏈式積木的組裝比作一套樂高積木,但樂高積木的設計適合原子級。

Fischer 說:“它們都是經過精確設計的,所以只有一種方式可以合在一起。這就好比你拿一袋樂高積木,搖一搖,就會出來一輛完全組裝好的汽車。這就是用化學控制自組裝的神奇所在。”

一旦組裝完畢,新的納米帶的電子狀態是一種金屬,就像Louie預測的那樣,每個部分都貢獻了一個導電電子。最終的突破可以歸因于納米帶結構的微小變化。

“利用化學方法,我們創造了一個微小的變化,大約每100個原子中只有一個化學鍵發生了變化,但卻使納米帶狀物的金屬性提高了20倍,從實用性的角度來看,這對使其成為一種性能良好的金屬是很重要的。”Crommie說。

Fischer 教授和Crommie教授正在與加州大學伯克利分校的電氣工程師合作,將他們的工具箱中的半導體、絕緣和金屬石墨烯納米帶組裝到工作的晶體管中。

Fischer說:“我相信這項技術將在未來改變我們構建集成電路的方式,這應該會使我們比現在可以預期的硅具有最好的性能提升一大步。我們現在有一條途徑,可以以更低的功耗獲得更快的開關速度。這就是未來推動碳基電子半導體產業發展的動力。”