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技经观察 | 碳基半导体:中国芯片产业发展新机遇 产业篇

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  碳基半导体作为有可能继承硅基半导体,成为未来电子信息产业重要基础的新型半导体材料,其发展潜力值得科研和半导体从业人员对其进行深入挖掘。本文节选自《碳基半导体:中国芯片产业发展新机遇》报告,是碳基半导体系列的产业篇。文章指明了碳基半导体的潜在应用领域,分析了其当前面临的主要产业难题,并深入阐述了其对产业的重要意义。

  以碳纳米管为代表的碳基半导体经过长期积累在近年来取得诸多进展,技术成熟度和产业化都迎来曙光,但技术发展和产业完善不是一蹴而就的。碳基半导体和硅基半导体材料在性能和成本等不同角度拥有各自的优势,未来碳基即使能打破硅基半导体完全垄断的局面,碳基与硅基也仍将维持长时间共存和互补式发展的状态。碳基半导体是产业发展机遇,但也注定是一项长期而艰巨的任务。

  一、碳基半导体潜在应用领域

  (一)碳基芯片

  碳基半导体制造的芯片器件类型与硅基半导体没有大的差异,可大致将其分为:信息处理芯片、通信芯片和传感器芯片三类。信息处理芯片包括CPU、GPU、张量处理器(TPU)、嵌入式神经网络处理器(NPU)等,通信芯片包括5G基带芯片、核心网络芯片、信号处理芯片等。两者都是未来人工智能、大数据、区块链和5G等前沿技术所必需的,对设计精度、工艺制程、集成度和产能都有更高的要求,短时间内难以制造出相应的碳基器件。但传感器芯片一般嵌入物联网设备使用,如可穿戴设备使用的医疗传感器芯片,这类芯片对制程和工艺要求较低,预计三至五年内就可能商用。

  对芯片制造来说,碳纳米管具备优秀的性能,但真正利用起来并不容易,特别是用于制备碳纳米管晶体管。极小的碳纳米管掺杂处理难度很高,但基于碳纳米管的芯片技术仍取得了相当程度的进展。麻省理工学院联合ADI公司的研究人员找到一种方法,设计出了复杂的工艺将碳纳米管按照需要转化成p型或者n型半导体。基于这种技术,该团队用14000个碳纳米管晶体管制造出16位处理器RV16X-NANO。该处理器采用RISC-V指令集,可在16位数据和地址上运行标准的32位指令。研究人员利用这一处理器运行程序,打出了 “你好,世界!我是RV16XNano,由碳纳米管制成”。

  

  16位处理器RV16X-NANO

  (二)碳基光电器件

  碳纳米管在推动光电器件发展上具备远超硅基材料的特性。传统的硅基材料是间接带隙半导体,无法制备高性能的电致发光器件。作为一种直接带隙的半导体材料,碳纳米管具有优异的光电性能,可以同时实现电致发光器件和光电器件。在碳纳米管的两端分别采用钪和钯作为接触电极,使电子和空穴在被注入到碳纳米管中时或面临零势垒(正偏压条件)或面临接近碳纳米管能隙的很大势垒(负偏压条件),从而实现高性能二极管。

  碳纳米管二极管在光照射下可以激发出电子空穴对,并在内建电场中被分开,从而实现高效率的纳米光电二极管。但是单个二极管实现的光伏电压较小,不具备实用价值。科研人员创造性地发展了碳纳米管级联电池(虚电极)技术,使单个二极管的光伏电压超过1V,达到实际应用水平。研究成果表明在一根碳纳米管上可以简单地通过选用对称电极实现CMOS器件,构建集成电路,通过非对称电极(例如两端分别由非对称的n型和p型电极连接的碳纳米管)即可实现红外纳米光源和光探测器,并可以通过虚电极的引入增加光电压和探测效率。纳米CMOS器件和光电器件在这个无掺杂集成工艺中自然地结合了起来,有望为纳米电子和光电子电路的开发提供一个统一的平台,而电子和光电子器件的集成,特别是光通讯电路与高性能电子电路的集成有望极大地提高计算机系统的能力,为后摩尔时代的电子学带来新一轮的繁荣。

  (三)柔性电子器件

  柔性电子是将有机/无机材料电子器件制作在柔性/可延性基板上的新兴电子技术。相对于传统电子,柔性电子具有更大的灵活性,能够在一定程度上适应不同的工作环境,满足设备的形变要求。除优异的电学性能外,石墨烯和碳纳米管的光学、力学性能也使其适用于柔性电子器件的制造。其中,石墨烯具有轻薄、透明等特性;碳纳米管具有柔韧性好、耐弯曲和疲劳强度高的特性。

  碳基半导体材料有望在实际中满足多种柔性电子器件的应用场景:柔性应变/压力传感器,该类传感器通常由导电传感元件与弹性聚合物或其他柔性/可拉伸基材(如纤维、纱线和纺织品)耦合组成,可通过应变/压力刺激引起的导电元件间接触电阻的变化,检测材料应变或外界压力;可穿戴器件,由于柔性电子器件具有很高的柔性和延展性,可与人体的外形特性和运动特性相匹配,并完成传感、显示等功能,应用于消费电子、医疗保健等行业,柔性能源系统,该类系统的定义为柔性甚至可伸缩的能源装置,包括超级电容器、电化学电池(例如锂电池、钠电池和金属空气电池)、光伏装置和发电机等;透明导电薄膜类应用,该类应用包括柔性触摸板、柔性有机发光二极管(OLED)和柔性有机太阳能电池等。

  

  柔性电子器件与人体“无缝贴合”

  (四)生物医学传感器

  碳纳米管因其独特的力学、电学和化学性能,在生物医学传感器领域有很大用武之地。碳纳米管具有一定的吸附性,能与吸附的其他分子发生相互作用,从而引起宏观电阻发生改变,因此可以将碳纳米管制作成气体传感器,通过测量碳纳米管电阻的变化来检测气体的成分。碳纳米管传感器与普通传感器相比具有尺寸小、灵敏度高、反应快、表面积大、能在室温或更高温度下操作等优点,可制成最小生物医学分子级气敏元件,应用于病人呼吸监测,将会取得很好的效果。

  同时,碳纳米管在应力影响下容易发生网格结构和直径变化,甚至螺旋度发生变化。由于螺旋度变化将影响碳纳米管导电性的变化,因此可将碳纳米管作为生物压力传感器,通过测定其电子特征的不同来测定力学应力的大小。碳纳米管传感器可做成高灵敏的微型设备,能应用于一般压力传感器不易传导的区域,如血管、淋巴系统、细胞等。

  利用碳纳米管的微型、灵敏、便携带的特性,将其做成生物医学电磁传感器注入人体,随时监控电磁波对人体的影响,将在很大程度上减少电磁波对人体的伤害。同时医务人员通过测量人体磁场的变化来判断人体的生理变化,从而采取适当的方法进行治疗。

  二、碳基半导体的产业难题

  (一)规模化、低成本制备生产难题

  目前碳基材料的主要挑战来源于规模化生产面临的高可控性材料加工问题,即必须在绝缘衬底上定位生长出所需管径大小的碳纳米管半导体。网状薄膜的碳纳米管可以避免材料手性和位置控制问题,但是由于其性能的限制,只适合于柔性电子学等对器件和电路的速度和集成度要求不高的领域。基于平行碳纳米管阵列材料的电子学虽然可以避开位置控制的要求,但是如何规模化生长致密、均匀的纯半导体型碳纳米管仍面临着巨大挑战。虽然彭练矛院士团队在碳基材料制备方面实现突破,使得碳纳米管生长出现了可控制迹象,但这距离大规模制备碳纳米管还有一定距离,限制其在更多领域开展应用。

  此外,碳基半导体与硅基半导体的相关技术与工艺设备存在差异,虽然现有的硅基半导体加工设备有90%可以直接应用到碳基中,但部分工艺或设备需要调试,才能适配碳基半导体器件的生产。例如碳纳米管材料的清洗、刻蚀等步骤需要特殊处理,碳纳米管器件的模型也需单独建立。

  

  综上,碳纳米管晶体管尚处于实验中少量制备的阶段,无法满足商业领域对碳纳米管晶体管快速低成本制备需求。未来,还需进一步突破技术、成本限制,在设备和器件等工艺方面建立成熟的规范流程,降低成本,提高稳定性,向商用标准迈进。就中美碳基半导体整体发展状况而言,我国在碳纳米管材料以及高性能碳纳米管晶体管制备方面领先美国,但美国在集成电路产业生态上具备优势,在芯片设计工具、三维系统架构设计、标准化规模化制造等方面领先。未来碳基需要与硅基技术结合以实现产业化,因此我国在碳基半导体产业化推进层面将需要克服比美国更多的困难。

  (二)产学研合作难题

  半导体产业链环节众多,除材料制备外,还需要设计、制造、封装等众多工具和环节配合,形成生态链。当前,以中国北京大学彭练矛团队、美国麻省理工学院舒拉克团队为代表的研究团队在碳基半导体领域取得一系列阶段性进展,但半导体生态链的构建仅靠实验室显然是不够的,必须实现产学研合作。

  国外方面,碳基半导体材料研究领先院校美国麻省理工学院(MIT)在产学研合作方面做得比较好。MIT团队的研究,除了有美国国防高级研究计划局三维芯片系统计划和美国空军研究实验室的官方支持,还有杜克大学等高校,以及ADI、SkyWater等半导体公司支持。美国公司和高校之间交流和流动性较好,公司普遍愿意给高校投钱做项目,并会提出明确目标,让高校定期汇报进度,共同推进技术产业化。

  在碳基半导体研究上,美国佐治亚理工学院和杜克大学开发出工艺设计工具包(PDK)和电子设计自动化(EDA)软件,为碳基芯片设计和开发提供软件支持。ADI和SkyWater公司提供碳基芯片代工,SkyWater更是建造了世界首个碳纳米管90nm芯片代工厂,为碳基芯片系统设计和工艺工程化提供硬件支持。MIT利用上述芯片设计工具,设计出包含约64000个碳纳米管晶体管的存储芯片,并在SkyWater的代工厂进行流片。虽然该芯片中存在金属属性碳纳米管杂质过多的问题,但也为碳基芯片产业化展示了新的可能。

  

  美国麻省理工学院(MIT)

  中国方面,目前我国产业界中愿意跟进的企业不多,产业界很难在一项技术还没看到回报投资时进行投入,只有工程化、成熟化的技术,产业界才敢接手。国内公司更愿意在研究成果成熟时和高校合作。例如,在通信领域,企业和高校的合作就较多,因为这些领域一般不涉及“卡脖子”的硬科技技术,通过改进算法或模型,就能出产品。而带有不确定性的合作,短期内很难给公司带来盈利,长期看又存在一定风险,公司就没有给高校投钱的动力。但碳基半导体技术从实验室到产业界,中间还需要进行工程化研究,其中面临的挑战包括资金的持续保证、理念的转变以及与现有产业的兼容等,这些问题只依靠研究团队是无法解决的。

  以北京碳基集成电路研究院为例,如果该院要继续推进碳基集成电路发展,按照该院当前200人的规模,再加上实验平台,每年需要的资金约为2亿元,并且需要确保十年以上的资金投入,约为20亿元。考虑到十年中还不断会有技术转让等创收,实际投资应小于20亿元。但是,直到现在还没有企业关注到该研究院的价值。北京碳基集成电路研究院院长彭练矛表示,学术界完成从0到1的创造之后,从1到无限的扩展必须由政府主导、产业界配合,才能推动这项革命性的技术真正落地。

  (三)逆全球化阻碍全球半导体产业合作

  半导体产业是一个需要全球化合作的产业。从产业链角度看,没有一个国家能单独把材料、装备、制造、设计、封装测试这五个产业链的主节点都掌握。从生态链角度看,更需要全球化合作,如果产品没有需求方,或者类似美国对中国芯片进口限制,将会影响半导体生态链平衡发展。从技术角度看,半导体产业技术的快速迭代需要高强度投资,而高强度投资则需依靠多企业、多方面合作。然而,当今半导体产业涌动着逆全球化思潮,新冠疫情以来更是表现出愈发明显的逆全球化趋向,其中以美国尤甚。

  2017年特朗普刚上任时,总统科技顾问委员会就发布一份名为《如何确保美国在半导体行业的长期领导地位》的报告。报告指出,中国正瞄准半导体设计和生产的全球领导地位,并利用国内稳步增长的半导体消费市场放大影响。报告认为美国半导体产业正面临威胁,美国应该对中国半导体产业加以限制。随后,美国开始在半导体领域强推逆全球化,迫使一些国家或地区站队,如限制荷兰ASML向中国晶圆厂出售EUV光刻机;限制日本信越、胜高向中企出售原材料;限制台积电给大陆企业提供代工服务等等。美国的这一系列举措不仅会割裂全球半导体产业链,还会引发其他发达国家效仿。对于发展尚未成熟的碳基半导体行业,未来还需投入大量人力、物力构建全新的生态链,全球化合作将大大加快这一进程,而美国等国的逆全球化势必对碳基半导体行业发展带来不利影响。

  三、碳基半导体对产业的意义

  (一)碳基半导体为半导体产业升级创造良机

  现代电子信息技术的基础是集成电路芯片,而当前构成集成芯片的器件单元几乎都是由硅基CMOS器件组成。几十年来,产业界对硅基CMOS器件的发展策略是不断缩小关键尺寸,提高集成度,从而实现功能更加强大、功耗更低、速度更快且成本更低的集成电路芯片。早期的芯片发展相对简单,只需提升加工精度,根据等比原则简单缩减器件横向和纵向尺寸,就能实现性能的大幅度提升。但是近年来,维持芯片性能快速提升需要不断引入新的结构和材料,场效应晶体管技术发展到今天,从最初发现时的简陋结构演变成如今的主流结构已经过无数次优化,结构和工艺革新对芯片性能提升效果逐渐下滑。

  通过碳基替代完成半导体产业升级是一条值得尝试的发展路径,但以硅基为核心的半导体产业链成熟而又发达,从半导体材料供应、设备制造到应用,整个上下游产业技术完全依赖硅基材料及现有的硅基知识产权体系。碳基半导体通过对硅基的底层替代完成半导体的内生革命,为整个半导体芯片发展提供了新的技术路径选择。但碳基半导体在初始阶段,研发、制造成本高,工艺不及硅基半导体多年磨合形成的产业优势。而且碳基半导体还需要产业链满足三点要求:一是在保证规模化生产的同时,最大限度地降低成本;二是要能够利用现有设备,不引入禁止的化学污染物或微粒;三是要实现比同等尺寸硅基更强的性能。产业发展有自身的连续性,碳基半导体如果发展至能与硅基并存的程度,则将产生“由硅至碳”的升级机遇,对半导体材料制备、芯片设计和制造的既有全球产业体系产生深远影响。

  

  (二)碳基半导体技术发展,将继续推进全球电子产业高速发展

  近年来,碳基半导体研究取得众多进展,碳纳米管电子学研究成果尤为显著。碳纳米管材料的半导体纯度和质量在不断提高,能够得到越来越接近理想情况的半导体碳纳米管材料来制备晶体管。在器件方面,研究人员对碳纳米管晶体管的器件物理进行了系统深入研究,发展了碳纳米管CMOS器件的可控制备方法,并且不断优化栅介质和结构,进一步提升器件性能,通过缩减器件尺寸,实现了亚10nm的器件,在此基础上探索并验证了碳纳米管器件的潜力。得益于材料自身的优良性质和广泛的政策和资金支持,研发人员在碳纳米管领域取得相当的成就,达到了其他纳米材料从未到过的高度。

  碳基半导体研究取得飞速发展的同时,也在逐渐从基础研究转向实际应用。研发人员不仅实现了具有各种功能的基础逻辑单元,在集成电路方面,基于碳纳米管晶体管构建的一系列基本逻辑单元和复杂电路,特别是碳纳米管计算机的展示,让业界看到了碳纳米管晶体管以及碳纳米管芯片的曙光。后摩尔时代碳基电子学若取得进一步研究成果,在低功耗、高性能或者特种集成电路中展示其潜力,则将为半导体产业发展谱写新的光辉乐章。

  未来第四次科技革命既需要人工智能、虚拟现实、大数据技术的鼎力支撑,也离不开半导体技术提供的硬件基础。科技革命带来信息和数据的再一次爆发式增长,对半导体技术的发展、芯片性能提出更多、更高的要求。此外,对数据存储、处理和分析需求的增加,使得全球消耗在数据需求上的能源占比快速提升。同时,对数据存储、处理和分析需求的增加,使得全球消耗在数据需求上的能源占比快速提升。硅基半导体芯片需提升芯片性能并降低能耗才有望支撑新一轮科技革命,但在受限于物理瓶颈,芯片难以继续微缩的状况下,每个芯片的算力无法提升、单位能耗无法继续降低。而在科技革命对算力需求指数增长的情况下,将需要更多的硅基芯片来执行运算,也意味着数据处理所需的总能耗将呈指数增长,这是任何国家,甚至整个地球都无法承担的负荷。

  

  从能耗角度来看,硅基半导体也难以负担第四次科技革命的期望。碳基半导体的材料特性为超低功耗的纳米电子学开展,和未来超低功耗集成电路大规模应用创造了可能,新的科技革命有望依托碳基半导体带来人类社会的又一次飞跃。

  (三)碳基半导体为我国布局半导体产业提供新的选择

  随着摩尔定律对硅基半导体逐渐无能为力,通过快速技术升级提升半导体供应路线走不通,全球对半导体需求却随着5G技术采用、数据中心的扩张而快速增长,半导体行业供求关系出现倒挂。未来半导体产业地位愈发关键,而对半导体的投资、研发也将迎来黄金时刻。另一方面,技术发展带动半导体芯片,如CPU、GPU、NPU等快速更迭,硅基半导体在提升半导体新芯片性能上越来越后继无力,碳基半导体为芯片未来发展提供新的选择。

  传统的硅基半导体技术正临近发展极限,信息产业即将面对重要历史转折点,这也是中国信息产业界实现赶超的重大与难得的历史机遇。伴随着可移动智能设备、云存储和大数据处理的广泛应用,迅速发展的信息产业对未来的半导体芯片和信息处理技术提出了前所未有的要求。为了延续摩尔定律和应对后摩尔定律时代,持续提升芯片性能,需要发展速度更快、能耗更低的新型半导体芯片;为了拓展正在快速崛起的可移动智能设备市场,同样需要研制具备柔性、透明和生物可兼容等特性的新型芯片。最终放弃对一直作为信息产业基石的传统硅材料的依赖,转而寻求具有更高性能和更低能耗的非硅基替代材料已经成为人类必然的选择,这将从根本上改变未来的半导体芯片和整个信息产业的发展。

  

  当前,我国集成电路制造产业正处于高速发展期,在销售规模、技术升级、产能扩展和规划新生产线建设方面都取得显著进展。但是,我国大陆集成电路制造业规模占全球不到10%,制造技术水平与国际先进工艺技术还有近两代差距,这与我国作为集成电路消费大国的地位严重不匹配。对此,进一步加速我国集成电路产业发展,提升我国集成电路制造技术水平仍然十分紧迫。

  现今的芯片产业格局是,美国把控芯片设计和制造专利技术攫取最多利润,日欧通过材料和制造设备供给控制上游,台湾地区和韩国占据芯片制造的最终出口,我国极力从三者的缝隙和低端产品切入寻求突破。碳基半导体提供的底层技术路径选择意味着重组产业格局的难得机会,若能实现规模化应用,我国就能在碳基发展早期入局,从上游碳基材料制备、中游碳基芯片设计到下游碳基芯片制造多层次出手完善芯片产业架构,打破既有的全球芯片产业格局。

  (四)碳基半导体是我国芯片产业发展的新机遇

  半导体材料研究,尤其是采用硅以外的材料制备集成电路,包括锗、碳、砷化钾、石墨烯,一直是国外半导体前沿技术的关注重点。作为最有希望替代硅基的半导体材料,碳基半导体在材料、器件和电路领域取得相当的进展,已证明其巨大的潜在应用价值。

  目前芯片绝大部分采用硅基材料的集成电路技术,高端芯片技术被国外厂家长期垄断,中国每年进口芯片的花费高达3000亿美元。加速以芯片为代表的半导体产业发展早已成为国家战略,但在逆全球化和美国对我高科技产业封锁的大背景下,我国现有的硅基半导体发展举步维艰,多数集中在低利润、低附加值的环节。硅基半导体制造需要设计、制造和封测三大环节,我国在技术含量最低的封测环节具备一定的研发和产业实力,但在设计和制造上差距很大。设计芯片所使用的EDA软件,我国基本完全依赖国外的新思科技、楷登电子和明导国际三家企业;芯片制造环节则依靠台积电、三星、格芯和联电,国内最先进中芯国际在制造工艺上与台积电相差两代,而且中芯国际使用的光刻机设备受制于美国控制的ASML公司。

  

  台湾积体电路制造股份有限公司

  我国硅基半导体距国际领先水平差距很大,而且美国企图利用其硅基半导体产业优势,对我国高科技发展道路实施封堵,依循旧有的硅基半导体产业发展道路追赶注定充满坎坷。彭练矛院士认为,在碳基半导体产业化推进上,若具备实验条件和有经验的团队,乐观估计大致需要3-5年时间,即可完成碳纳米管晶圆制备能力完善、标准工艺研发、碳纳米管CMOS晶体管的结构优化和稳定性改进、EDA平台和设计方法建立、完整的碳基三维集成工艺研发等工作,并形成确定技术节点(如90nm或45nm)的碳基三维芯片设计和制造能力,进而完成碳基中试生产线,奠定碳基集成电路产业化基础。若保守估计,从碳基芯片的自动化设计工具、制造设备、封装测试和人才的招募与培养等方向全面布局,则有望在10年内将碳基技术初步推向实用。

  我国在碳基半导体研发上与西方国家站在同一起跑线,拥有碳基半导体最基础的专利和技术,有望彻底打破美国对我半导体芯片封锁,成就国产芯片独立自主的愿景,提升我国在半导体领域的话语权,增强国家核心竞争力,实现半导体与电子信息产业的革新与超越。

  

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  作者简介

  李鹏飞国务院发展研究中心国际技术经济研究所研究五室,研究助理

  研究方向:信息领域战略、技术和产业前沿

  联系方式:lifei@drciite.org

  张宇国务院发展研究中心国际技术经济研究所研究一室,研究助理

  研究方向:机器人、3D打印、工业互联网、高端装备制造等

  联系方式:zhangy@drciite.org

  武志星国务院发展研究中心国际技术经济研究所研究三室,研究助理

  研究方向:海洋、新材料领域战略、技术和产业前沿

  联系方式:wuzhixing@drciite.org

  唐乾琛国务院发展研究中心国际技术经济研究所研究五室,研究助理

  研究方向:信息领域战略、技术和产业前沿

  联系方式:tangqc@drciite.org

  作者丨 李鹏飞 张宇 武志星 唐乾琛

  编辑丨 刘瑾

  研究所简介

  国际技术经济研究所(IITE)成立于1985年11月,是隶属于国务院发展研究中心的非营利性研究机构,主要职能是研究我国经济、科技社会发展中的重大政策性、战略性、前瞻性问题,跟踪和分析世界科技、经济发展态势,为中央和有关部委提供决策咨询服务。“全球技术地图”为国际技术经济研究所官方微信账号,致力于向公众传递前沿技术资讯和科技创新洞见。

  地址:北京市海淀区小南庄20号楼A座

  电话:010-82635522

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