硅基芯片已发展至工艺极限,碳纳米管真能成为新一代芯片材料吗?

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  • 来源:上海冰澄公益

    现在硅基芯片的生产工艺已逼近3纳米,根据摩尔定律,将在两三年之后达到1纳米的工艺极限。更小的制程和更小的晶体管,会让硅基芯片出现漏电效应和短沟道效应。什么是漏电效应和短沟道效应?


    漏电效应:

    即当栅长减小时电子移动的距离缩短,容易导致晶体管内部电子自发通过晶体管通道的硅底板进行的从负极流向正极的运动。也就是说当栅长特别小的时候,两个晶体管离得太近,其中的电子就可能直接通过两个晶体管间的硅板流到另一个晶体管中。




    短沟道效应:

    MOS晶体管的沟道长度变短到可以与源漏的耗尽层宽度相比拟时,发生短沟道效应,栅下耗尽区电荷不再完全受栅控制,其中有一部分受源、漏控制,产生耗尽区电荷共享,并且随着沟道长度的减小,受栅控制的耗尽区电荷不断减少的现象。影响:由于受栅控制的耗尽区电荷不断减少,只需要较少的栅电荷就可以达到反型,使阈值电压降低;沟道变短使得器件很容易发生载流子速度饱和效应。


    如何解决这个即将到来的问题?有两个选择:


    • 1、在现在基础上实现技术突破,寻找破解的方法。
    • 2、用一种新材料来代替硅基板生产芯片。

    2020年5月,在国际知名杂志《科学》上,发表了一篇来自中国北大团队关于碳基半导体的论文,文中提到了“高密度碳纳米管”的提取和组装方法。业界将这一成果称为:碳基半导体进入规模工业化的基础。


    由于媒体的广泛宣传,碳基半导体材料进入了公众的视野,那么碳基半导体到底靠不靠谱呢?


    根据北大团队和业界多年的研究,证明用碳纳料管用来制造芯片是完全可行的,而且相对硅基芯片,碳基芯片在性能和功耗上更有优势,而且碳基芯片有一个最突出的地方就是,用更大制程工艺生产的芯片能与更小制程的硅基芯片性能相当。


    据相关测试,用28纳米工艺制成的碳基芯片和7纳米工艺的硅基芯片完全相当。这对于我国仍然停留在比较落后的芯片生产工艺下,无疑是一个天大的好消息,不用再因为缺乏最尖端的芯片生产设备而受制于人,所以总体来说,碳基芯片还是很靠谱的。


    而且,我国在碳基半导体的提取技术上,已经位居世界顶尖水平,就算台积电这样的顶级硅基芯片大厂,将来在碳基芯片的竞争上,都有可能交出行业话语权。这已经不是他们肯不肯的问题,而是大势所趋,一种新技术淘汰一种老技术,是科学发展的必然。


    数码相机淘汰了胶片相机,智能手机消灭了功能手机,就是最好的例子。碳基芯片正是我国在芯片技术上一次翻盘的机会,不过,虽然机会是存在,但是困难也不少。


    碳基芯片要做到正式商用,还面临两大难题,具体是哪两大难题呢?请观看西瓜视频创作人”国器”的视频:有望成为新一代芯片材料,碳基半导体的关键在哪?


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