摩爾定律

摩爾定律是由英特爾創(chuàng)始人之一戈登·摩爾（Gordon Moore）提出來的。其內(nèi)容為：當(dāng)價(jià)格不變時(shí)，集成電路上可容納的元器件的數(shù)目，約每隔18-24個(gè)月便會(huì)增加一倍，性能也將提升一倍。這一定律揭示了信息技術(shù)進(jìn)步的速度。

摩爾定律告訴我們，集成電路特征尺寸隨時(shí)間是按照指數(shù)規(guī)律縮小的。可以說，它是集成電路發(fā)展的風(fēng)向標(biāo)。如果硅基芯片走到“窮途末路”，就意味著芯片上所能容納的元器件數(shù)目達(dá)到了極限，那么芯片性能也就無法繼續(xù)提升了。通俗一點(diǎn)，計(jì)算機(jī)更新?lián)Q代的時(shí)代就結(jié)束了。這聽起來非常聳人聽聞，但卻的確是一個(gè)切實(shí)而嚴(yán)峻的問題。

大家一定很好奇，為什么摩爾定律就走到頭了，特征尺寸不能在繼續(xù)小下去，這就要回到我們所用的硅基材料的問題上。

硅基CMOS技術(shù)

CMOS 是 Complementary Metal Oxide Semiconductor（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）的縮寫，它是指制造大規(guī)模集成電路芯片用的一種技術(shù)或用這種技術(shù)制造出來的芯片。而硅基CMOS就是以硅為襯底的芯片。

高性能電子型和空穴型場效應(yīng)晶體管（field effect transistor, FET）的制備及集成是硅基CMOS技術(shù)的核心。晶體管尺寸的減小會(huì)導(dǎo)致器件加工越來越困難，其中有兩大問題：一是器件的加工精度，二是半導(dǎo)體材料摻雜的均勻性。

首先，器件的加工精度遇到了問題。這其實(shí)很容易理解，芯片上晶體管的尺寸越來越小，加工自然越來越難，技術(shù)要求也越來越多。

其次，硅這種半導(dǎo)體材料的均勻摻雜遇到了問題，尤其是當(dāng)期間尺寸達(dá)到納米量級。半導(dǎo)體材料的摻雜是為了實(shí)現(xiàn)器件的電學(xué)性質(zhì)，摻雜出現(xiàn)了問題，必定會(huì)嚴(yán)重影響晶體管電學(xué)性質(zhì)的性能和穩(wěn)定性。

硅基CMOS技術(shù)遇到瓶頸，摩爾定律面臨極限，那么大家最想問的一定是：這個(gè)問題是否就無解了？

IBM公司曾在2015年度的國際固態(tài)電路會(huì)議上宣布，微電子工業(yè)走到7納米技術(shù)節(jié)點(diǎn)時(shí)將不得不放棄使用硅作為支撐材料，非硅基納電子技術(shù)將會(huì)興起。IBM 的系統(tǒng)計(jì)算表明，相比于硅芯片，10納米技術(shù)節(jié)點(diǎn)碳納米管芯片在性能和功耗方面都有明顯改善。

例如，從硅基7納米技術(shù)到5納米技術(shù)，芯片速度大約提升20％ ；而相比硅基7納米技術(shù)，碳納米管7納米技術(shù)的芯片速度將提升300％。IBM 甚至宣布，由碳納米管構(gòu)成的芯片將于2020年之前成型 。

作為與硅同為四族元素的碳，似乎成了未來的希望。那問題又來了，為什么是碳基材料？下面我們一起來看一下碳基材料的優(yōu)勢。

碳基材料的優(yōu)勢及挑戰(zhàn)

電子學(xué)中的碳基材料主要有碳納米管、石墨烯、富勒烯。我們主要給大家介紹一下呼聲最高的碳納米管和石墨烯。

1碳納米管

碳納米管

碳納米管是在1991年由日本筑波NEC實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家飯島澄男發(fā)現(xiàn)的。它是一種管狀的碳分子，按照管子的層數(shù)不同，分為單壁碳納米管和多壁碳納米管。管子的半徑方向非常細(xì)，只有納米尺度，幾萬根碳納米管并起來也只有一根頭發(fā)絲寬，碳納米管的名稱也因此而來。而在軸向則可長達(dá)數(shù)十到數(shù)百微米。

碳納米管具有極其優(yōu)異的電學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、磁學(xué)以及力學(xué)性能，是理想的納電子和光電子材料。為什么這么說呢？我們不妨來看一個(gè)參數(shù)：

室溫下，硅基場效應(yīng)管的電子遷移率是1000 cm/(V·s)，而碳納米管場效應(yīng)管中電子遷移率可以達(dá)到100000 cm/(V·s)，是硅基場效應(yīng)管的100倍左右。

而電子遷移率主要影響到晶體管的兩個(gè)性能：一是電導(dǎo)率，遷移率越大，電阻率越小，通過相同電流時(shí)，功耗越小，電流承載能力就越大。二是影響器件的工作頻率，提高載流子遷移率，可以降低功耗，提高器件的電流承載能力，同時(shí)提高晶體管的開關(guān)轉(zhuǎn)換速度。

這只是碳納米管眾多優(yōu)越性質(zhì)中的一個(gè)，它還具有很多其他優(yōu)異的性能，例如導(dǎo)電性能、導(dǎo)熱性能等等。但是管中窺豹，可見一斑，相比于硅基材料，它的性能確實(shí)非常優(yōu)越，因此也成為了碳基材料的熱門候選。

2石墨烯

石墨烯

石墨烯是一種由碳原子組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，厚度只有一個(gè)碳原子。2004年英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，成功地在實(shí)驗(yàn)中從石墨中用膠帶粘出了石墨烯（對，沒錯(cuò)，就是用膠帶粘）。

在此之前，石墨烯這種結(jié)構(gòu)被認(rèn)為不能穩(wěn)定存在，一經(jīng)發(fā)現(xiàn)，立刻引起了研究的熱潮。不過，我們在這里主要關(guān)注石墨烯在電子學(xué)中的應(yīng)用。

和碳納米管類似，室溫下石墨烯同樣具有遠(yuǎn)高于商用硅片的高載流子遷移率，并且噪聲很低，受溫度和摻雜效應(yīng)的影響很小，非常適合用于晶體管的制造。

石墨烯電子的費(fèi)米速度和很低的接觸電阻則有助于進(jìn)一步減小器件開關(guān)時(shí)間，使得由石墨烯制成的納電子器件能夠有超高頻率的操作響應(yīng)。

除此之外，它還有許多優(yōu)越的力學(xué)性質(zhì)，比如在物理方面的彈性模量可達(dá)1 TPa，自身的強(qiáng)度是130 GPa，因此非常適合用于設(shè)備制造。現(xiàn)在，石墨烯的場效應(yīng)晶體管已經(jīng)能用標(biāo)準(zhǔn)化的光刻方法制備。

除了在用于制造晶體管，石墨烯還有很多其他的優(yōu)越性質(zhì)，使它能夠在電子學(xué)其他領(lǐng)域大展拳腳，例如它良好的透光率和導(dǎo)電性，可以作為透明電極用于發(fā)光二極管，大大減少透明電極薄膜的厚度等等。

簡而言之，碳基材料真看起來非常優(yōu)秀，但為什么目前仍然沒有大規(guī)模應(yīng)用呢？一方面是目前硅基材料還沒有達(dá)到極限，研發(fā)和更換生產(chǎn)線需要各個(gè)公司投入大量成本；另一方面，它本身在應(yīng)用方面也面臨很多挑戰(zhàn)，比如各種材料的制備，能隙控制，載流子濃度控制等等。但針對這些問題，世界各地的科研團(tuán)隊(duì)都在努力探索，并給出了初步的解決方法，在我們的有生之年能夠看到碳基材料應(yīng)用于我們的日常生活還是非常有希望的。