当前智能手机、电脑登电子设备已成为人们生活中不可或缺的一部分,更高的运行速度、更加持久的用电量一直是我们追求的目标,如何实现这些更优的性能,离不开晶体管研究领域的技术突破。

为打破传统硅基芯片发展面临的物理制约瓶颈,科学家们近年来开始研究替代硅基芯片的新型材料,碳基晶体管以其优越的性能,成为提高计算机运行速度,降低电子设备功耗的一代新星。但是,多年来一直面临制造工艺、材料等方面的发展难题。

9月25日,美国加州大学伯克利分校和劳伦斯伯克利国家实验室(Berkeley Lab)的物理学系教授Crommie、化学系教授Fischer及其同事在Science上发表了一项最新研究成果,这个由化学家和物理学家组成的团队创造出了一种完全由碳制成的金属线。

这种金属线为制造碳基电路的工具箱提供了最后一个工具,该创造必将加速推进碳基晶体管的研究进程,为碳基计算机的制造奠定坚实的基础。
加州大学伯克利分校化学系教授Felix Fischer表示:“在碳基材料(Carbon-Based Materials)领域内,将同种材料整合到一起的技术是关键所在。”他指出,用同一种材料制造所有电路元件的能力会使制造变得更加容易,而这一直是全碳基集成电路架构中缺少的关键因素之一。

碳基半导体时代的开启

上世纪五六十年代,集成电路开始迅速发展,半导体制造工艺技术不断提升,一小块芯片上集成的晶体管数目不断增加,摩尔定律稳步发展。
进入21世纪,信息技术飞速发展,芯片性能不断提高,尺寸也在不断变小上实现一次次的突破,以单晶硅为主的半导体集成电路已成为整个信息技术的强大支柱。

但芯片尺寸的不断减小,也增加了相关工艺的难度,尤其是到了纳米级材料,受材料、技术、 器件等方面的物理限制,传统的硅基晶体管发展速度放缓。

近几年,对于硅基芯片发展中,摩尔定律面临的物理瓶颈日趋严重,研究人员开始逐步探索碳纳米晶体管的研发。与硅基晶体管相比,碳基晶体管具有成本低、功耗小、效率高的显著优势。理论上来说,碳晶体管的极限运行速度是硅晶体管的5-10倍,而功耗方面,却只是后者的十分之一。

所谓碳纳米管,是一种1991年被发现的新型材料,由呈六边形排列的碳原子构成的单层或者多层圆管。在制备高性能晶体管方面,它具有超高的电子和空穴迁移率、原子尺度的厚度、以及稳定的结构等优势。

我国碳基芯片的研究起步较早,代表研究机构有中科院、北京大学、清华大学等。

早在2017年,北京大学电子系教授彭练矛课题组就实现了用碳纳米管研制出了晶体管,而且其工作速度相当于英特尔最先进的14纳米商用硅材料晶体管的3倍,能耗仅占1/4。

彭练矛教授曾说:“我们在碳基集成电路这条路上走了二十年,还没有看到什么令我们觉得走不下去的障碍。”

超窄纳米带金属线

随着这些年碳基晶体管研究的不断深入,相关工艺日趋成熟,实验室级的碳晶体管不断被研发出来,想要把这些独立的碳基晶体管大规模的连接在一起形成一块完整的芯片,因为关键部件——金属线制造技术的不成熟,使得其成为一件相当困难的事情。

金属线就像计算机芯片中用于连接晶体管的金属通道一样,将晶体管中的电子从一端传导到另一端,作为计算机的基本组成部分,晶体管也因此得以实现半导体元件的互连。

加州大学伯克利分校的研究团队多年来一直致力于研究如何使用石墨烯纳米带制造半导体和绝缘体。

石墨烯纳米带是由原子厚度的石墨烯组成的一维窄条,这种结构完全由碳原子组成,排列成相互连接的六角形,类似于鸡肉线。

新研发的碳基金属也是一种石墨烯纳米带,但设计时着眼于在全碳晶体管的半导体纳米带之间传导电子。Fischer的同事、加州大学伯克利分校物理学教授Michael Crommie说,金属纳米带是采用一种自下而上的方法,利用较小的相同结构单元组装而成的结构。每个结构单元均贡献一个电子,该电子可沿纳米带自由流动。

虽然其他碳基材料也可以是金属的,比如扩展的二维石墨烯片和碳纳米管。但它们各自存在问题,例如,将二维石墨烯片材重塑成纳米级的条带,就会自发地将它们变成半导体,甚至是绝缘体。

碳纳米管却是一种极好的导体,但无法像纳米带那样,以同样的精度和可重复性进行大量制备。

Crommie说:“纳米带可以便于我们利用自下而上的制造方式,以化学方式获得各种各样的结构,这是纳米管还无法实现的一点。这样我们基本上可以将电子缝合在一起,以创建金属纳米带,这也是以前从来没有做过的事情。这不仅是石墨烯纳米带技术领域的重大挑战之一,也是我们感兴趣的原因之一。”

金属石墨烯纳米带具有宽的、部分填充的金属电子带特征,在电导率上应该与二维石墨烯本身相当。

“我们认为金属线确实是一项突破,这是我们第一次可以有意识地用碳基材料创造出一种超窄的金属导体,这种导体是一种良好的本征导体,而无需外部掺杂。”Fischer补充道。

调整拓扑结构

自上世纪五六十年代以来,硅基集成电路为计算机提供了越来越快的速度和更优的性能。但是近十年来,半导体上可集成的晶体管数目增长速度明显放缓,摩尔定律被不断质疑是否已到了穷途末路,当前的硅基半导体技术正在不断达到物理极限。

与此同时,想要降低电路的功耗也变得越来越难,计算机已经成了全球能源的一大消耗设施。Fischer 说,与硅基计算机相比,碳基计算机的切换速度有可能会加快很多倍,而功耗却很小。

纯碳的石墨烯是下一代碳基计算机的主要竞争者,窄带的石墨烯主要是半导体,面对绝缘体完全不导电和金属完全导电的两个极端,如何将它们同时用作绝缘体和金属,以完全由碳构成晶体管和处理器,成为一大挑战。

几年前,Fischer和Crommie与理论材料科学家、加州大学伯克利分校物理学教授Steven Louie合作,发现了连接小长度纳米带的新方法,从而可靠地创造了全方位的导电特性。从而可靠地创建了整个导电性能域。

两年前,该团队证明,通过以正确的方式连接纳米带的短段,可以将每段中的电子排列成一个新的拓扑状态(一种特殊的量子波函数),从而产生可调谐的半导体特性。

在这项新工作中,他们使用类似的技术将纳米带的短段缝合在一起,创造出一种长数十纳米、宽仅一纳米的导电金属线。

宽带金属石墨烯纳米带(GNR)的电子显微镜图像

图中每个突簇对应了一个单独占据的电子轨道,在每个簇附近形成五边形环会使得金属GNR的电导率增加十倍以上, GNR主干的宽度为1．6纳米。

这些纳米带材是通过化学方法创建的,并使用扫描隧道显微镜在非常平整的表面上成像。简单的加热就可以诱导分子发生化学反应,并以正确的方式连接在一起。Fischer将菊花链式积木的组装比作一套乐高积木,但乐高积木的设计适合原子级。

Fischer 说:“它们都是经过精确设计的,所以只有一种方式可以合在一起。这就好比你拿一袋乐高积木,摇一摇,就会出来一辆完全组装好的汽车。这就是用化学控制自组装的神奇所在。”

一旦组装完毕,新的纳米带的电子状态是一种金属,就像Louie预测的那样,每个部分都贡献了一个导电电子。最终的突破可以归因于纳米带结构的微小变化。

“利用化学方法,我们创造了一个微小的变化,大约每100个原子中只有一个化学键发生了变化,但却使纳米带状物的金属性提高了20倍,从实用性的角度来看,这对使其成为一种性能良好的金属是很重要的。”Crommie说。

Fischer 教授和Crommie教授正在与加州大学伯克利分校的电气工程师合作,将他们的工具箱中的半导体、绝缘和金属石墨烯纳米带组装到工作的晶体管中。

Fischer说:“我相信这项技术将在未来改变我们构建集成电路的方式,这应该会使我们比现在可以预期的硅具有最好的性能提升一大步。我们现在有一条途径,可以以更低的功耗获得更快的开关速度。这就是未来推动碳基电子半导体产业发展的动力。”