它会是打破摩尔定律 成为终极半导体吗？

2nm晶体管芯片问世，集成电路摩尔定律接近极限

本月初IBM公司宣布打造出全球首个2nm芯片制造技术，为半导体研发再创新的里程碑。IBM在新闻稿中称，在运行速度方面，首发的2nm芯片与当前许多笔记本电脑和手机中使用的主流与当前主流的 7nm 芯片相比，性能预计提升 45%，能耗降低 75%。与当前领先的 5nm 芯片相比，2nm 芯片的体积也更小，速度也更快。

图1 IBM首发的2nm芯片 来源：IBM官网

一般芯片采用的X nm技术，表示的是组成芯片的基本单元——晶体管的沟道尺寸，即电极之间的最小距离。晶体管尺寸越小，单位面积芯片就能容纳更多的晶体管数量，从而实现更强大的计算能力和更低的能耗。IBM表示，其采用2nm工艺制造的测试芯片可以在一块指甲大小的芯片中容纳500亿个晶体管（3.3亿/mm²）。相比之下，著名芯片代工厂台积电最先进的芯片采用其5nm工艺制造，每平方毫米约有1.73亿个晶体管，而三星的5nm芯片则约为1.27亿/mm²。

图片来源 台积电官网

著名的摩尔定律指出，集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，可以理解为微处理器的性能每隔18个月便提高一倍。随着芯片工艺制程的飞速提升，晶体管体积越来越小，逐渐触及到物理极限。比如当晶体管沟道长度足够短的时候，量子隧穿效应就会发生，从而导致晶体管的绝缘层发生漏电，造成效能下降。

Nvidia CEO黄仁勋认为半导体物理学的限制意味着如今CPU性能每年只能提升20%左右，摩尔定律已走向终结。确实在进入到5nm制程以后，摩尔定律的实现已经有所放缓，那么接下来硅基集成电路又该如何发展，以实现更高计算性能芯片生产制造，从而延续摩尔定律？

终极半导体金刚石杀出重围

一切制造业的基础便是材料，而硅材料的内禀属性制约着晶体管技术的发展，如今在后摩尔时代想要突围，则需要寻找击穿电压更高、散热性能更好的新型半导体材料来取代目前已经逐步发展到极限的硅基集成电路技术。

金刚石，即钻石，作为第三代半导体的代表性材料，已成为下一代集成电路基础材料的强力候选人。金刚石具有自然界中最高的硬度、最高的导热性、极低的热膨胀系数、从紫外到远红外的最宽的光谱透范围，超高载流子迁移率、5.5eV的超宽禁带与超高击穿电压，得益于种种极限性能的组合，金刚石这颗冉冉新星逐渐在各行各业大放异彩。

在电子与热学性能方面，金刚石相比传统的硅、以及目前开始应用的宽禁带半导体氮化镓、碳化硅，具有更高的临界击穿电场、高电子迁移率、高热导率等优势，是制造高压、高温、高频、抗辐照及低功率损耗半导体器件最有希望的半导体材料，被业界誉为“终极半导体”。

金刚石半导体电子器件简介

发展金刚石芯片的第一步是组成金刚石逻辑电路的基本单元，如晶体管和开关等半导体器件的开发。

目前基于金刚石的涉及半导体的应用场效应晶体管，肖特基二极管，光电半导体开关，高电压-大电流开关，而且还可以用于实现特定的设备例如传感器和检测器等都已陆续被开发了出来^[1]，由于金刚石的众多优点，这些元器件可承受更高的电压、电流、开关频率和工作温度。

金刚石MOSFET与结构示意图

金刚石MOSFET是研究最广泛的金刚石晶体管，其采用MOS栅控制结构可抑制栅极的泄漏电流。金刚石接合型成场效应管、肖特基势垒二极管和MOSFET等即使在高温下也可以具有相当高的电学性能^[2]。

金刚石肖特基势垒二极管（SBD）与结构示意图

金刚石功率器件可大大提高，尤其是在高温下功率转换器的性能。其独特的性质组合可以使元器件的开关频率达到目前已量产的第三代半导体SiC器件的五倍，而且在450K的高温下，金刚石半导体可以将半导体损耗降低三倍，同时散热器体积缩小为原来的1/3^[3]。

金刚石基芯片存在的问题

对于半导体器件的量产而言，要求半导体材料达到高载流子浓度与迁移率、缺陷密度低、纯度高、面积大，但对于金刚石材料来讲，金刚石的掺杂以及高质量大尺寸单晶的获得仍是世界性科学问题。

半导体掺杂问题

金刚石的掺杂是形成半导体电子器件的基础，但金刚石半导体实现商业化的最大问题是金刚石的高效掺杂尚未解决。金刚石的p型掺杂技术则比较成熟，主要掺杂物是硼原子。对p型金刚石来说，原子尺寸较小的硼很容易就能融入金刚石晶格之中，不存在晶体取向问题。但硼室温下激活效率小于 0.1% ，而且硼在金刚石中的掺杂浓度和迁移率是此消彼长的关系，过大的掺杂浓度往往导致迁移率的迅速下降，电导率达到1Ω/cm需要硼掺杂浓度达到 10¹⁹ cm^-3时，但此时迁移率将降低到 100 cm²/Vs以下^[4]。

由于缺少合适的施主杂质，金刚石的高效n型掺杂仍是世界性科学难题。根据金刚石的碳原子（共价半径 0.077 nm）在元素周期表中的位置来选择，离的最近的是氮原子( 0.075 nm) ，这使其也成为金刚石 n 型掺杂的有利候补。然而，氮原子的掺杂能级非常深，为 1.7 eV，在室温下难以导电^[5]；硫原子的半径比碳原子大很多，掺入金刚石后会引起大量的晶格畸变，从而产生大量的晶格缺陷，使大部分的硫不具有电活性^[6]；而磷掺杂则存在激活能过高、掺入效率低、电导特性差等问题，因此制备的n型掺杂金刚石薄膜的电阻率也达不到制作器件的要求^[7]。

单晶制备方面存在的问题

尽管多晶金刚石集成光电子器件已经问世，但在多晶金刚石中的性能并不如单晶金刚石器件。由于晶界散射和杂质耦合的影响，多晶金刚石波导的传播损耗将更高，而多晶金刚石中的晶界将导致单光子源信号的背景噪声更高。所以，为实现大规模集成电路制造，高质量、大尺寸的金刚石单晶衬底的生长是至关重要的。

大多数商用单晶金刚石衬底都是通过高压高温（HPHT）方法或化学气相沉积（CVD）来生长的。但以目前的技术条件来讲，两种方法都难以实现当下单晶硅所能达到的高质量大尺寸指标。单晶的纯净度决定了圆晶以及成品芯片的良率，尺寸决定了一个圆晶上所能加工的芯片数量。

通过HPHT生长的单晶金刚石可以实现极低的位错密度^[8]，但是很难控制掺杂。另外，HPHT金刚石的尺寸固有地受到生长装置尺寸的限制，因此不适合晶片生产与大规模集成。

而CVD生长可通过调节生长化学过程更好地控制杂质的掺入，并通过各种工艺方法，从而能够提供适用于金刚石光电应用的高质量大尺寸单晶金刚石。

日本的H. Yamada团队利用马赛克拼接法进行同质外延。将24个10×10 mm²具有相同晶体学特征的金刚石籽晶按照相同的晶向紧密平铺在一起，通过MPCVD生长使这些籽晶连接起来形成一块2英寸(40×60 mm²)级别的大单晶^[9]。这些晶体学参数（如晶面取向，机械性能和纯度）相同的单晶金刚石籽晶片是由离子注入剥离法^[10]对同一籽晶克隆的，是完美拼接的关键。

离子注入剥离法可以代替常规金刚石切割技术使切割损失最小化；同时可以用于分离在离子注入衬底上生长的同质外延CVD金刚石膜，但高能离子的注入会不可避免的在金刚石中产生空位等缺陷，并引入相关离子杂质。而且拼接后的单晶片边界线十分明显，而且边界部位存在更多的缺陷和应力，同时，过大的拼接单晶其中心与边缘的功率密度差异会造成生长不均匀，从而导致结晶质量下降。

德国Matthias Schreck团队^[11]在Ir/YSZ/Si(001)（YSZ为氧化钇稳定的氧化锆）结构上通过异质外延法生长出直径约为90mm，重量为155克拉的金刚石单晶。

金属铱Ir 是目前唯一可实现高质量、大尺寸金刚石薄膜异质外延的衬底材料，但对于大多数应用而言，缺陷密度仍然很高。位错可以在器件制造过程中暴露出蚀刻坑^[12]，即使看不见它们仍会引起局部应变并影响金刚石的光学特性，例如双折射^[13]。与由HPHT金刚石制成的p-i-n二极管相比，由异质外延CVD金刚石制成的p-i-n二极管显示出更强的与缺陷相关的电致发光^[14]。

未来展望

随着第三代半导体材料的逐步应用与5G乃至6G时代的来临，传统的硅基半导体技术面临着升级换代的巨大挑战，摩尔定律也随着晶体管的不断缩小而进展放缓。因此以金刚石为代表的新一代半导体材料大放异彩，但我国金刚石材料的制造工艺和质量并未达到世界前列，材料制造设备依赖于进口严重，大尺寸高质量金刚石单晶的合成与掺杂问题仍未解决，器件方面产业链也尚未形成等。目前西方国家已经对我国进行金刚石技术禁运，因此亟需开展具有核心知识产权的大尺寸高品质金刚石及相关装备与应用研究，以打破西方国家对我国芯片技术的封锁，满足芯片自主发展的国家重大战略需求，进入集成电路的后摩尔时代，使我国金刚石半导体的研究进入国际先进行列。

参考文献

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