「碳基晶片」及「奈米碳管」世界爭霸錄─科技與智慧（20）

作者：陳華夫

據媒體2020/12/25日報導，台積電（TSMC）處長李連忠，以「單體 3D IC 的研究前景」為主題，介紹裝置科技的發展趨勢，目前已確立 2維過渡金屬二鹵化物以及 1維奈米碳管能用來當作材料，並已實際製造出真正裝置。

本文詳細解析奈米碳管、奈米碳管電晶體、及奈米碳管電晶片（即碳基晶片）。

碳分子結構的可以是球狀的巴克敏斯特富勒烯（Buckminsterfullerene）C ─60的富勒烯；平面的石墨烯（Graphene）；管狀的奈米碳管（Carbon Nanotube，CNT）。見下圖：

石墨烯雖然是只有一個碳原子的厚度，卻是世上最薄、最堅硬的透明奈米材料，其電阻率只約10-6 Ω·cm，比銅或銀更低，為目前世上最好的導體，可做「透明電極」及隱形戰機的塗料。另外，中國在石墨烯材料的研究領域取得了最新突破，研發出最新的石墨烯-鍺電晶體。將電磁延遲時間縮短了整整1000倍，技術領先世界（見拙文美中軍民用飛機製造工業的爭霸錄─美中經濟（28）、及中科院再獲重大突破，將時間整整縮短1000倍，西方驚呼不可能）

曹原（1996年－）中國科學技術大學學士，2020年麻省理工學院博士，目前是麻省理工學院Jarillo-Herrero實驗室的博士後研究員。於2014年以研究生身份加入麻省理工學院，並於2020年獲得博士學位。目前的研究方向是二維材料的凝聚態物理。專門研究“ twistronics”-帶有“ twist”的材料中的電子學。他於2018年因入選《自然》雜誌「2018年度科學人物」並位列榜首而知名，被《自然》讚譽為「石墨烯駕馭者（Graphene Wrangler）」，近日，曹原再次以共同第一作者身份在《自然》發文報告，在三層石墨烯組成的“三明治”中觀察到超導性。 在新的三層結構中，中間一層石墨烯相對於外層以新的角度扭轉，其超導性比雙層結構更穩定。研究人員還可以通過施加和改變外部電場的強度來調節結構的超導性。而通過調節三層結構，研究人員能夠產生超強耦合超導性，這是一種奇特的電學行為，在其他所有材料中很少見（見震撼！刚刚中国传来炸裂喜讯！人类史上最年轻的诺贝尔奖得主，即将在中国诞生？、及曹原在三层石墨烯中观察到超导性，午睡与高尿酸血症呈正相关 | 一周科技导读）

「單壁奈米碳管」（如上圖）在軸徑的方向的導電度如石墨烯一樣好，但在「多壁奈米碳管」之壁與壁之間的導電度卻不高，也就是說，它具有「導電異向性」─即Z軸方向導電，但XY平面方向絕緣膜。若用鋪膜的方法，做出之奈米碳管膜，具有「導電異向性」，可偵測出「觸摸點」的X、Y座標，而製做出平面及曲面的觸控螢幕，奈米碳管「觸控螢幕」還具有柔性、抗干擾、防水、耐敲擊與刮擦等特性。

「純」奈米碳管是一種功能強大的半導體，可以與矽競爭以集成到「微處理器」中。在2019年，美國麻省理工學院MIT的研究人員採用奈米碳管電晶體，成功研製出首款基於RISC-V指令集的16位元微處理器，名為「RV16X-NANO」。它在16位元資料和定址上執行標準32位元長指令，包含了14,000多個電晶體，是迄今為止最先進的奈米碳管晶片。

據媒體2020/5/23報導，北京大學資訊學院電子學系成功的制備大面積均勻的奈米碳管陣列薄膜，實現超高半導體純度（99.9999%）、順排、高密度（100～200 /μm），以制備奈米碳管-金屬氧化物半導體場效電晶體（MOSFET），如下圖：

2020/12/14日媒體報導，在IEEE電子器件會議（IEDM）上，台積電（TSMC），加州大學聖地亞哥分校和斯坦福大學的研究團隊介紹了一種新的製造工藝─即在奈米碳管及「高k」介電層「二氧化鉿HfO2」之間添加「中間k」介電層「氧化鋁Al 2 O 3」，如下圖：

台積電（TSMC）首席科學家，斯坦福大學教授Philip Wong領導了這個研究團隊，他說：「要使多個相同的奈米碳管完美對齊一直是一個挑戰。北京大學彭連茂實驗室的研究人員最近成功地使每微米排列250個碳納米管，這表明解決方案可能很快就會出現。」他並說：「我們感到非常興奮，因為我們正在一步一步地將所有這困難都擊倒。下一步就是將它們放在一起……如果我們可以將所有這些結合起來，我們將擊敗矽。」

據媒體報導，中國目前可以製造出第四代浸沒式光刻機，工藝理論極限在7nm，如果中國利用此浸沒式光刻機，製造出7nm的奈米碳管之碳基晶片，性能上將與2nm的矽基晶片持平，但中國的碳基晶片方案能否終結矽時代，還是有待觀察（見碳基晶片將讓中國半導體實現「彎道超車」？其實沒那麼簡單，及中美大對決，碳基晶片VS矽基晶片，中國能否直道超車？）

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