它會是打破摩爾定律 成為終極半導體嗎？

2nm晶體管芯片問世，集成電路摩爾定律接近極限

本月初IBM公司宣布打造出全球首個2nm芯片制造技術，為半導體研發再創新的里程碑。IBM在新聞稿中稱，在運行速度方面，首發的2nm芯片與當前許多筆記本電腦和手機中使用的主流與當前主流的 7nm 芯片相比，性能預計提升 45%，能耗降低 75%。與當前領先的 5nm 芯片相比，2nm 芯片的體積也更小，速度也更快。

圖1?IBM首發的2nm芯片 來源：IBM官網

一般芯片采用的X?nm技術，表示的是組成芯片的基本單元——晶體管的溝道尺寸，即電極之間的最小距離。晶體管尺寸越小，單位面積芯片就能容納更多的晶體管數量，從而實現更強大的計算能力和更低的能耗。IBM表示，其采用2nm工藝制造的測試芯片可以在一塊指甲大小的芯片中容納500億個晶體管（3.3億/mm²）。相比之下，著名芯片代工廠臺積電最先進的芯片采用其5nm工藝制造，每平方毫米約有1.73億個晶體管，而三星的5nm芯片則約為1.27億/mm²。

圖片來源 臺積電官網

著名的摩爾定律指出，集成電路上可容納的晶體管數目，約每隔18個月便會增加一倍，可以理解為微處理器的性能每隔18個月便提高一倍。隨著芯片工藝制程的飛速提升，晶體管體積越來越小，逐漸觸及到物理極限。比如當晶體管溝道長度足夠短的時候，量子隧穿效應就會發生，從而導致晶體管的絕緣層發生漏電，造成效能下降。

Nvidia CEO黃仁勛認為半導體物理學的限制意味著如今CPU性能每年只能提升20%左右，摩爾定律已走向終結。確實在進入到5nm制程以后，摩爾定律的實現已經有所放緩，那么接下來硅基集成電路又該如何發展，以實現更高計算性能芯片生產制造，從而延續摩爾定律？

終極半導體金剛石殺出重圍

一切制造業的基礎便是材料，而硅材料的內稟屬性制約著晶體管技術的發展，如今在后摩爾時代想要突圍，則需要尋找擊穿電壓更高、散熱性能更好的新型半導體材料來取代目前已經逐步發展到極限的硅基集成電路技術。

金剛石，即鉆石，作為第三代半導體的代表性材料，已成為下一代集成電路基礎材料的強力候選人。金剛石具有自然界中最高的硬度、最高的導熱性、極低的熱膨脹系數、從紫外到遠紅外的最寬的光譜透范圍，超高載流子遷移率、5.5eV的超寬禁帶與超高擊穿電壓，得益于種種極限性能的組合，金剛石這顆冉冉新星逐漸在各行各業大放異彩。

在電子與熱學性能方面，金剛石相比傳統的硅、以及目前開始應用的寬禁帶半導體氮化鎵、碳化硅，具有更高的臨界擊穿電場、高電子遷移率、高熱導率等優勢，是制造高壓、高溫、高頻、抗輻照及低功率損耗半導體器件最有希望的半導體材料，被業界譽為“終極半導體”。

金剛石半導體電子器件簡介

發展金剛石芯片的第一步是組成金剛石邏輯電路的基本單元，如晶體管和開關等半導體器件的開發。

目前基于金剛石的涉及半導體的應用場效應晶體管，肖特基二極管，光電半導體開關，高電壓-大電流開關，而且還可以用于實現特定的設備例如傳感器和檢測器等都已陸續被開發了出來^[1]，由于金剛石的眾多優點，這些元器件可承受更高的電壓、電流、開關頻率和工作溫度。

金剛石MOSFET與結構示意圖

金剛石MOSFET是研究最廣泛的金剛石晶體管，其采用MOS柵控制結構可抑制柵極的泄漏電流。金剛石接合型成場效應管、肖特基勢壘二極管和MOSFET等即使在高溫下也可以具有相當高的電學性能^[2]。

金剛石肖特基勢壘二極管（SBD）與結構示意圖

金剛石功率器件可大大提高，尤其是在高溫下功率轉換器的性能。其獨特的性質組合可以使元器件的開關頻率達到目前已量產的第三代半導體SiC器件的五倍，而且在450K的高溫下，金剛石半導體可以將半導體損耗降低三倍，同時散熱器體積縮小為原來的1/3^[3]。

金剛石基芯片存在的問題

對于半導體器件的量產而言，要求半導體材料達到高載流子濃度與遷移率、缺陷密度低、純度高、面積大，但對于金剛石材料來講，金剛石的摻雜以及高質量大尺寸單晶的獲得仍是世界性科學問題。

半導體摻雜問題

金剛石的摻雜是形成半導體電子器件的基礎，但金剛石半導體實現商業化的最大問題是金剛石的高效摻雜尚未解決。金剛石的p型摻雜技術則比較成熟，主要摻雜物是硼原子。對p型金剛石來說，原子尺寸較小的硼很容易就能融入金剛石晶格之中，不存在晶體取向問題。但硼室溫下激活效率小于 0.1% ，而且硼在金剛石中的摻雜濃度和遷移率是此消彼長的關系，過大的摻雜濃度往往導致遷移率的迅速下降，電導率達到1Ω/cm需要硼摻雜濃度達到 10¹⁹?cm^-3時，但此時遷移率將降低到 100 cm²/Vs以下^[4]。

由于缺少合適的施主雜質，金剛石的高效n型摻雜仍是世界性科學難題。根據金剛石的碳原子（共價半徑 0.077 nm）在元素周期表中的位置來選擇，離的最近的是氮原子( 0.075 nm) ，這使其也成為金剛石 n 型摻雜的有利候補。然而，氮原子的摻雜能級非常深，為 1.7 eV，在室溫下難以導電^[5]；硫原子的半徑比碳原子大很多，摻入金剛石后會引起大量的晶格畸變，從而產生大量的晶格缺陷，使大部分的硫不具有電活性^[6]；而磷摻雜則存在激活能過高、摻入效率低、電導特性差等問題，因此制備的n型摻雜金剛石薄膜的電阻率也達不到制作器件的要求^[7]。

單晶制備方面存在的問題

盡管多晶金剛石集成光電子器件已經問世，但在多晶金剛石中的性能并不如單晶金剛石器件。由于晶界散射和雜質耦合的影響，多晶金剛石波導的傳播損耗將更高，而多晶金剛石中的晶界將導致單光子源信號的背景噪聲更高。所以，為實現大規模集成電路制造，高質量、大尺寸的金剛石單晶襯底的生長是至關重要的。

大多數商用單晶金剛石襯底都是通過高壓高溫（HPHT）方法或化學氣相沉積（CVD）來生長的。但以目前的技術條件來講，兩種方法都難以實現當下單晶硅所能達到的高質量大尺寸指標。單晶的純凈度決定了圓晶以及成品芯片的良率，尺寸決定了一個圓晶上所能加工的芯片數量。

通過HPHT生長的單晶金剛石可以實現極低的位錯密度^[8]，但是很難控制摻雜。另外，HPHT金剛石的尺寸固有地受到生長裝置尺寸的限制，因此不適合晶片生產與大規模集成。

而CVD生長可通過調節生長化學過程更好地控制雜質的摻入，并通過各種工藝方法，從而能夠提供適用于金剛石光電應用的高質量大尺寸單晶金剛石。

日本的H. Yamada團隊利用馬賽克拼接法進行同質外延。將24個10×10 mm²具有相同晶體學特征的金剛石籽晶按照相同的晶向緊密平鋪在一起，通過MPCVD生長使這些籽晶連接起來形成一塊2英寸(40×60 mm²)級別的大單晶^[9]。這些晶體學參數（如晶面取向，機械性能和純度）相同的單晶金剛石籽晶片是由離子注入剝離法^[10]對同一籽晶克隆的，是完美拼接的關鍵。

離子注入剝離法可以代替常規金剛石切割技術使切割損失最小化；同時可以用于分離在離子注入襯底上生長的同質外延CVD金剛石膜，但高能離子的注入會不可避免的在金剛石中產生空位等缺陷，并引入相關離子雜質。而且拼接后的單晶片邊界線十分明顯，而且邊界部位存在更多的缺陷和應力，同時，過大的拼接單晶其中心與邊緣的功率密度差異會造成生長不均勻，從而導致結晶質量下降。

德國Matthias Schreck團隊^[11]在Ir/YSZ/Si(001)（YSZ為氧化釔穩定的氧化鋯）結構上通過異質外延法生長出直徑約為90mm，重量為155克拉的金剛石單晶。

金屬銥Ir 是目前唯一可實現高質量、大尺寸金剛石薄膜異質外延的襯底材料，但對于大多數應用而言，缺陷密度仍然很高。位錯可以在器件制造過程中暴露出蝕刻坑^[12]，即使看不見它們仍會引起局部應變并影響金剛石的光學特性，例如雙折射^[13]。與由HPHT金剛石制成的p-i-n二極管相比，由異質外延CVD金剛石制成的p-i-n二極管顯示出更強的與缺陷相關的電致發光^[14]。

未來展望

隨著第三代半導體材料的逐步應用與5G乃至6G時代的來臨，傳統的硅基半導體技術面臨著升級換代的巨大挑戰，摩爾定律也隨著晶體管的不斷縮小而進展放緩。因此以金剛石為代表的新一代半導體材料大放異彩，但我國金剛石材料的制造工藝和質量并未達到世界前列，材料制造設備依賴于進口嚴重，大尺寸高質量金剛石單晶的合成與摻雜問題仍未解決，器件方面產業鏈也尚未形成等。目前西方國家已經對我國進行金剛石技術禁運，因此亟需開展具有核心知識產權的大尺寸高品質金剛石及相關裝備與應用研究，以打破西方國家對我國芯片技術的封鎖，滿足芯片自主發展的國家重大戰略需求，進入集成電路的后摩爾時代，使我國金剛石半導體的研究進入國際先進行列。

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