后摩尔时代电子学:碳基技术的机遇与挑战

  • 校友会志愿者 刘晋国(人文学院)
  • 日期:2021-09-09
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        2021年7月15日下午,中国科学院院士、北京大学教授彭练矛院士第二次来到“李政道讲座”,给国科大学子讲述碳基技术在目前时局中面临的机遇与挑战。本次的讲座由清华大学教授、“李政道讲座”秘书长崔伟教授主持,崔老师介绍了彭院士近年来取得的一系列科研成果,为我国纳米电子材料和器件研究的发展做了重大贡献。彭练矛老师,1982年毕业于北京大学无线电电子学系。1983年通过李政道先生主持的CUSPEA计划赴美, 于亚利桑那州立大学美国高分辨电子显微学中心师从J.M. Cowley教授, 1988年获博士学位。1989年至英国牛津大学, 任M.J. Whelan 教授的研究助手。1990年被选为牛津大学Glasstone Fellow,国际电子显微学会联合会Presidential Scholar。1994年底回国,获首届国家杰出青年科学基金资助。1999年被北京大学聘为教育部首批“长江学者奖励计划”特聘教授。2019年当选中国科学院院士,主要研究领域为纳米结构、物性和相关器件。

彭练矛院士在讲座

        讲座开始,彭教授说他是怀着感恩的心情再次来到这个讲台,感谢李政道先生,感谢CUSPEA项目,才让他走到了今天。彭老师首先介绍了CUSPEA项目在1979年—1989年的历程,回顾了李政道先生的一段话:“在美国,所有实施CUSPEA的组织协调工作乃至每年三轮向美国各大学和国内各大学发信,每一轮学生申请入学的细节,甚至每位学生在美国留学时学习及生活上的种种琐碎之事,都是李先生和夫人秦惠及助理Irene女士一件件地去做的。在CUSPEA实施的十年中,粗略估计每年都用去李先生三分之一的精力。”谈到往事,彭老师表达了对李先生的深深感谢之情。彭老师接下来回顾了自己的面试过程,回顾说此项目当时并不需要托福和GRE,进入当时美国高端的学校不需要这些证书而仅仅需要CUSPEA项目的考试,可见此项目在美国获得的认可。彭院士回顾了自己当时在北京大学学习,已经进入了实验室,并在纠结到底要不要去美国。他的北大老师更支持他去美国学习,去美国学习最新的电子技术,就这样,彭院士依托CUSPEA项目到达美国,并学成归国。

        彭院士讲,李政道先生对中国的三大贡献在于电子对撞机、中国的博士后制度和CUSPEA项目,对于中国的博士后制度主要是李先生考虑到当时的中国教师待遇低的问题,引入并提出了中国特色的博士后制度,能保证学生毕业后可以安心科研,这一制度的引入一直延续至今,对我们教育体制的完善和学术人才的培养贡献了巨大力量。

        第一部分,彭院士讲述了半导体行业现状与危机,从世界半导体行业分布情况开始入手讲起,老师回顾说,“没有芯片,就没有中国的现代化。”所以中国应该加强芯片突破技术,之后老师介绍了半导体在各行业中的消费分布情况,老师回顾了过去20年中半导体行业的发展情况,并说20年来年增长率达到5.21%,并且2021年预计可以达到4600亿美元。老师介绍了世界半导体行业领域分布情况,并说逻辑、存储等主要方面占70%,并介绍了在中国仅在逻辑和分立元件占据了一些份额,逻辑9%,分立仅仅5%。之后老师通过图表展示了逻辑电路的制造能力发展趋势:过去10年中国在全球的地位基本没有发生变化,并介绍说美国几乎没有发生变化,台湾和韩国在不断上升,近年来已经和美国具有相当的能力,中国的发展水平不容乐观,老师建议说中国仅仅靠投资是不可以的,还需要更多的人投身此行业做更实际的工作,并对国科大学子抱有深深的期望。之后彭院士继续展示了世界半导体行业份额情况:美国半导体公司在研发、设计和工艺技术方面领先世界。接下来介绍了全球10大半导体研发企业,并说这些企业中并没有中国企业,中国在这方面还处于落后地位。彭院士展示了摩尔定律与未来产业发展:拐点=危机,老师展示了美国计算机行业报告,并以时间为横坐标,以芯片性能的增长为纵坐标展示了这份报告,并展示了几条结论,即在过去的几十年里,集成电路技术造就了包括微软、苹果、亚马逊、谷歌、脸谱等市值列前十大的超万亿美元的超大企业;传统芯片技术已不能满足未来新型行业发展的需要;延续信息产业的奇迹:关键在芯片。

        第二部分,彭院士讲述了硅基微电子技术的极限与后摩尔时代。首先讲述what is inside the chips? 并说这主要是超过90%是两类晶体管,主要是电子型和空穴型的,并有主流CMOS技术。之后彭院士又介绍了微电子早期发展的主要模式为Scaling,并将将晶体管做的更小,但是能保证更快、功耗最低、更便宜。彭院士介绍了这世纪的工作,硅基CMOS技术的进步:材料的作用,高k介质,应力硅(高迁移率),超薄沟道(短沟道效应),彭教授介绍了当进入亚100纳米技术之后,材料的进步成为了晶体管技术进步的主要推动力。之后彭教授展示了2005年国际半导体技术路线蓝图ITRS,介绍了目前中国面临的挑战与机遇,并介绍了CMOS技术将在2020年左右达到其性能极限,美国政府和公司做了许多工作,但相对而言,中国基本没做什么工作。彭教授以具体事例三星的成就介绍了三星在2018年宣布做的工作,5nm、4nm、3nm工艺:全新晶体管架构,并对其进行了分析。之后彭院士回顾了碳基电子学的确立过程,主要在一次国际权威的半导体产业发展咨询委员会上,并且2008路线图委员会认识到,急需加速发展一、两种最有前途的新型信息处理器件,因此要求新兴研究器件(ERD)和新兴研究材料(ERM)两个工作小组推荐一、两种最有前途的新兴研究器件技术,用以制定详细的路线图,加速产业发展,并最后确定了碳基电子学。彭院士介绍了碳纳米管的优势,主要是电子有效质量是硅材料中的1/3,速度还是原来的10倍。接着教授介绍了为什么碳纳米管为什么是理想的电子学材料,第一是特殊的一维结构,极大压抑了背散射,弹道运输,低功耗;第二是理想的无悬挂键结构,优异的化学稳定性,超洁净的表面,高效的栅效率:低功耗;第三是极高的迁移率,超小的本征电容,可以快速响应,高度;第四是超小的管径,极好的静电控制,无短沟道效应,性能接近理论极限的亚5纳米平面晶体管。之后老师介绍了IBM后硅时代预测:碳纳米管技术的优势,彭老师形容说这是台阶式的跳跃,并说把碳纳米管用于到三维结构中,会提高更高程度的功效。

        第三部分彭院士主要讲述了碳纳米电子学的挑战与前景。主要从碳纳米管技术挑战和无掺杂制备、碳纳米管晶体管的极限性能以及与硅器件的比较、从晶体管到集成电路和超越摩尔四分部讲述。彭教授说我介绍了这个虽然很好,但是应用的挑战很大,教授介绍了北大对此做出的科研成就,基本完成了碳纳米管材料5+挑战。并介绍了纳米电路的实验成功被评为2001的科学突破。之后彭教授回顾了碳纳米管晶体管的发展历程,从1998年第一个碳纳米管基的场效应晶体管问世到2006年在一根碳纳米管上制备出了由5个CMOS反相器组成的环形振荡器。彭教授介绍了由于热门大家进入这一领域,后来由于技术的难以攻克,大家由离开这一领域,离开的原因主要就是石墨烯的出现和一些难以攻克的技术困难。但是后来又由于石墨烯性能的难以控制,近年来碳纳米管又回归了人们的视野,很多科学家继续攻克这一领域难题,取得了较令人振奋的成果。但是目前仍然有挑战,就是载流子浓度(碳管掺杂)控制。接着彭教授讲述了Intel公司关于纳电子器件的性能比较和无掺杂技术:弹道极限晶体管,这是一种接近理论极限的n型碳管晶体管,可以实现电极(Sc或Y)控制的无势载流子注入。之后彭教授又讲述了无掺杂对称CMOS集成技术,无掺杂CMOS技术,一方面避开了碳材料可控掺杂的难题,简化了工艺;另一方面保留了碳材料的完美晶格,实现了接近理想极限的器件性能。接着彭教授介绍了碳基与硅基CMOS技术的比较,碳基需要步骤为32步,硅基需要17步,相比之下,工艺复杂度大致减半,大幅的成本下降,成品率提高。

        之后老师讲述了比较,以两个例子进行了讲述,一个例子就是台积电,介绍了业界关注的核心问题和候选方案,一个方面是高性能,另一个方面就是低功耗:超越极限,使得SS<60mV。彭教授说,从晶体管到集成电路,首先需要材料的问题,碳基集成电路用材料:高纯度、高密度、超顺排,我们需要达到目标纯度和目标密度,老师介绍了2020年的时候将会解决,并最终解决。彭院士介绍了其所带的科研组所取得的巨大成就,并具有的作用,以及展示了一些做出来的应用工作。之后彭教授介绍了碳纳米未来作为传感器的应用以及介绍了超越摩尔的问题。主要是碳基射频技术的机遇:5g和毫米波,并且老师介绍了碳基射频未来的目标就是在2030年实现6G。之后彭教授展示了国际和美国目前所取得的成就。接着彭教授展示了华大基因以及美国曾经做的工作,后是斯坦福大学所最近做的工作。

         最后一部分是电子技术发展的第四次浪潮和碳纳米技术的商业化进展。彭教授主要介绍了美国的工作,包括美国“电子复兴计划”等一系列工作。并在最后总结了碳纳米管电子和光电子集成之路以及展示了碳电子的优势和机会。讲座的最后,彭院士回答了前来听讲的国科大学子的提问。

讲座现场