摩尔定律，作为信息技术的物理基石，引领半导体产业过去50年的高速成长。本世纪以来，半导体产业格局逐渐发生转变，特别是体现在集成电路晶体管尺寸微缩越来越难、半导体技术工艺越来越复杂化、系统化以及技术门槛越来越高……。面临这些挑战，如何将单位面积的晶体管数量继续加倍？这是值得各大厂家思考的关键问题。当然这也促进了科研及产业界对新原理、新结构、新材料、新器件和新架构的创新研究，也是后摩尔时代半导体技术发展的核心内容。
基于此，针对超越摩尔定律领域关键新材料与新技术，《Carbontech Magazine》特邀瑞典皇家工程科学院刘建影院士以其团队系列开发工作为案例展开深入探讨。
【人物档案】刘建影，瑞典皇家工程科学院院士，瑞典查尔默斯理工大学讲座教授，美国电器电子工程师协会会士，上海大学博士生导师及中瑞微系统集成技术中心主任，上海第二工业大学能源与材料学院院长，深圳深瑞墨烯，上海瑞烯新材料及瑞典斯玛特公司首席科学家，担任 IEEE Transaction on Packaging & Manufacturing Technology 副主编及其他多个国际 SCI 杂志编委。已发表了学术论文 550篇，近年做大会主旨和特邀报告 70 余次，发表文章被引用9000次以上，H- 指数为48，获得及申请专利90项，主编了电子封装导电胶及微技术可靠性两本专著（分别在英国和美国出版，微技术可靠性专著已被翻译成中文）。主要研究领域为微纳材料与电子制造，纳米散热，封装与系统集成，其中包括3D电子碳纳米管互联技术，石墨烯及其他二维材料散热与互联技术，纳米界面散热材料，纳米生物支撑材料，纳米无铅焊料和纳米导电胶等，获得1996年美国 IEEE CPMT 学报高级封装领域最佳论文奖（每年只能有一篇文章获得）和2004年美国电器电子工程师协会器件和封装分会特殊技术进步奖(每年只能有一人获得)。是欧洲石墨烯大会 (Graphene Week) 十年研发重点项目（总经费高达2.1亿克朗）的热管理及储能方向负责人。
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首先需要明确的是，摩尔定律其实不算严格的定律，而是经验观察。1975年，Intel 共同创办人 Gordon Moore 提出对晶体管数量成长速度的观察，预测每两年晶体管数量会变成两倍，也就是说每隔两年电脑的运算速度会提高两倍，或是说，同样运算速度的芯片价格会减少二分之一。其次，摩尔定律的讨论为什么如此重要？其实重要的并不是这个定律是否能够延续，对业界来说，更重要的是藉由这个讨论，了解整个业界发展趋势是否得以延续以及这背后产业结构的变化、经济意涵等信息。换句话说，摩尔定律代表的是芯片成本下降的趋势，也代表不同终端产品的应用能力的提升。回顾半导体技术的核心挑战，可以发现既有工艺瓶颈（量子隧穿效应、原子掺杂涨落、功耗墙等现象），也有架构上的瓶颈（冯诺依曼架构的内存墙现象），更有晶体管原理上的瓶颈（亚阈值摆幅的玻尔兹曼极限与工作电压的缩减极限）。传统器件工艺和系统架构越来越难以满足人类社会进一步信 息化对算力的需求，半导体技术正式进入后摩尔时代。
“超越摩尔定律这个问题比较大”，刘建影院士说道，“大家都知道，因为摩尔定律撞墙，所以我们要研究新技术，探讨新方法，例如磁电子，量子器件与技术等尝试。目前集成电路领域，'超越摩尔定律’的有效手段，主要从碳基电子——其中包括碳纳米管电子系统、石墨烯电子器件系统、 spinelectronics 自旋电子、量子器件与技术等角度展开。但现在并不明确哪个方向是主线。”
21世纪是碳时代，碳基电子的潜力无限，不管在量子器件还是其他前沿科技领域都有非常强劲的应用前景。碳基半导体或将成为极重要和可行的突破方向。刘建影院士说道，“后摩尔时代重要的基础电子材料主要有碳纳米管，石墨烯，黑磷等。”
碳纳米管凭借超高的电子和空穴迁移率、原子尺度的厚度和稳定的结构，以及成本更低、功耗更小、效率更高的优势，被认为是构建高性能 CMOS 器件的理想沟道材料。IBM 研究表明，10nm 技术节点后碳纳米管芯片，相比于硅基芯片，其性能和功耗方面都将显著改善。例如，硅基节点从 7nm 到5 nm，芯片速度大约提升20%，而同样条件下，碳纳米管基 7nm 技术的芯片速度比7nm 硅基芯片提升 300%。此外，半导体型碳纳米管材料属于直接带隙半导体，所有能带间跃迁不需声子辅助，是很好的红外发光材料。理论分析表明，基于碳纳米结构的电子器件可以有非常好的高频响应，对于弹道输运的晶体管其工作频率有望超过太赫兹，性能优于所有已知的半导体材料。石墨烯材料，电子迁移率高、导热性好，同时薄且十分稳定的石墨烯晶体管不仅有助于电子元件向小型化发展，也使其获得很高的信号传输速度以及可在极端温度和高频下进行工作。当前研究成果表明，石墨烯晶体管的频率性能已超过相同栅极长度的最先进硅晶体管的截止频率（40 GHz），但在晶体管制备上，石墨烯晶体管性能仍逊于碳纳米管晶体管。未来，石墨烯有望在三维集成电路、优化散热和更小尺寸芯片等方向发挥重要作用。另外，石墨烯纳米带的二维晶格结构具有高导电率、高导热率和低噪声，这些性能可使其取代铜等金属线连接成为连接材料。
后摩尔时代，碳基半导体的应用场景将日益多元化，除了应用于芯片外，在其他电子设备制造中也有望施展拳脚。其超高载流子迁移率，可应用于射频器件的制造，提高射频器件的截止频率和最大振荡频率性能；碳基纳米材料的超高柔性也推动显示、柔性可穿戴等设备性能显著提升；另外，随着石墨烯和相关二维材料中的自旋电子学不断发展，石墨烯自旋电子器件实用化，有望用于空间通信、高速无线电路、车辆雷达和芯片间通信应用领域的耦合纳米振荡器……。
那么，在后摩尔时代的基础电子材料中，究竞谁将脱颖而出，堪当大任？刘建影院士认为，“目前看来，在众多新型半导体材料中，碳纳米管电子系统材料看起来最有前景！因为碳纳米管系统可以做成小于1个纳米的晶体管。虽然碳纳米管技术，目前只是做成了64K计算功能，但其在量子计算，密钥分拆，药物设计，通讯技术皆有潜力。当然，目前这些技术还处于研发和样机展示阶段，不能够取代原有的电子器件，而且没有步入商业应用的道路。而石墨烯电子器件由于本身材料无带宽，在基底上电子迁移率降低等问题，实现应用的路还很长。”
（三）石墨烯纳米带和碳纳米管相比，具有哪些技术优势？
通常，为了赋予单层石墨烯某种特性，会按照特定样式切割，形成宽度小于 50nm 的石墨烯条带，即为石墨烯纳米带。石墨烯纳米带的准一维特征及可以调节带隙的性质，有望成为未来量子信息科学中非常有前景的候选材料。过去5年中，原子精度自底向上合成石墨烯纳米带和异质结方面已取得的突破性进展，为功能性分子器件提供了理想的技术支撑，同时也成功地在绝缘衬底上生产出了可能用于大规模数字电路的半导体石墨烯纳米带阵列。
“和碳纳米管相比，石墨烯纳米带看起来似乎更有优势，但它根本的问题还是在于石墨烯在大尺寸下电子迁移率会大幅度降低，这完全限制了新应用的开发，很难做出优质产品或者器件，这种情况需要从工程上优化改进。另外，石墨烯的进展并没有碳纳米管这么迅速。碳纳米管是在1991年被发现的，石墨烯在2004年才被曼彻斯特大学的科学家们分离出 来。但是这么多年来，碳纳米管其实一直没有从业界消失，美国很多团队仍在研究并做得非常好，我国也是，例如北大彭练矛院士团队就在做这样的工作。”刘建影院士解释道。
（四）碳基半导体如何走出实验室的“玻璃房”，将自身的潜力真正发挥出来？
高性能材料的获取是全球碳基半导体技术发展面临的第一大障碍。石墨烯作为晶体管的前提是带隙必须足够大，才能使开和关之间的状态对比明显，从而准确无误地处理信息。然而，常规的大片石墨烯是一种零带隙材料，在费米能级处其电导率不会像一般半导体一样降为零，而是达到一个最小值，以此作为沟道的晶体管很难被关断，进而限制石墨烯应用于晶体管。如何产生禁带宽度以实现高的开关比是石墨烯材料的一大难题。另外，制备出高质量石墨烯薄膜是石墨烯成功应用于半导体领域的关键。目前，应用较为广泛的石墨烯制备方法主要有：微机械剥离法、化学氧化—还原法、化学气相沉积法（CVD）和外延生长法等。
碳纳米管集成电路批量化制备的前提就是超高半导体纯度、顺排、高密度、大面积均匀的碳纳米管阵列薄膜。碳纳米管分为半导体型和金属型。对于晶体管来说，金属型碳纳米管相当于杂质，会造成短路干扰电路运行，但在制备过程中金属型与半导体型共生，分离提纯半导体型碳纳米管是一大技术难题。目前，碳纳米管材料制备取得了突破，但距离 其大规模应用还存在诸多挑战，例如材料缺陷、可靠性较差、性能不足等。
“碳基材料走出实验室，实际进入市场应用，这不光是硬件技术开发的问题，同时也需要软装设计，否则无法实现突破，这需要系统工程。比如说，碳纳米管阵列排序问题、量产问题、大规模做成晶体管以及效率问题……，这些问题都是需要考虑的事。另外，材料互联、封装技术和系统集成等问题也需要意识到，接触面之间一旦碳和其他金属或者材料接触，它的导热性、导电性、机械强度等就会大幅度变化……，这些都是工艺上可能出现的问题。”刘建影院士补充说道，“目前石墨烯还没到这一步，还处在探讨潜力的过程。目前，在美国、欧洲有大量团队在持续研究碳基电子的基础性研究，做我们所说的“超越摩尔”的探索，同时，这个领域的发展深受欧洲政府的重视，包括瑞典等国家，有专项基金资助等。但未来“超越摩尔”的有效路径究竟是哪一条，往哪里走，到底是量子技术、自旋电子还是碳基电子，都是一种新技术的可能性的预测，谁都不能确保。我认为碳基电子更容易实现产业化，取代或者部分取代目前已有的体系，甚至在超越摩尔这个上面有可能做出突破。”
热管理，顾名思义，对“热“进行管理。热管理系统广泛应用于国民经济以及国防等各个领域，控制着系统中热的分散、存储与转换。先进的热管理材料构成了热管理系统的物质基础，而热传导率则是所有热管理材料的核心技术指标。
热界面材料，广泛应用于电子元件散热领域，主要用于填补两种材料接合或接触时产生的微空隙及表面凹凸不平的孔洞，在电子元件和散热器间建立有效的热传导通道，减少热传递的的阻抗，使散热器的作用得到充分发挥。
5G时代巨大数据流量对于通讯终端的芯片、天线等部件都提出了更高的要求。另外，随着集成度不断提高，芯片上器件单元数量急剧增加，连线的增长既影响电路工作速度又占用较多面积，严重影响集成电路性能进一步优化，且单纯的二维缩小集成电路面积已经达到摩尔极限，目前，集成电路纵向三维发展逐步得到重视与研究。但是，三维集成电路 存在的散热、电路串扰及制造工艺等问题仍需解决。因此，有效的热管理材料与设计成为日益重要的课题，其中，新材料的研发十分关键。
刘建影院士认为，“目前看来，在热管理应用领域比较有前景的下一代新材料主要是石墨烯，六方氮化硼，碳纳米管等。”
石墨烯，是我们目前发现的最高的热管理新材料。完整的单层石墨烯的导热率为 5300 W/m·K。刘建影院士认为，“如果把这个材料用好，那它在热管理领域当中应用前景非常广泛的。目前，它已率先在手机散热领域实现大规模产业化。另外，除石墨烯散热膜之外，石墨烯强化界面散热材料，石墨烯热沉，石墨烯热管，石墨烯均热板等散热产品也将逐步走向市场。”
六方氮化硼（h-BN）的导热性能很好，在 500-800 W/m·K 左右。另外 h-BN 可以量化为声子形式，从技术层面上讲，一个声子即是一组原子中的一个准粒子。目前，氮化硼散热膜应用于5G射频芯片、毫米波天线、无线充电、无线传输、IGBT、印刷线路板、AI、物联网等领域。
碳纳米管的一维结构特性使其具有极高的轴向热导率，理论热导率比铜好10倍，电流密度容差高达 5000倍。作为电子器件热管理用的碳纳米管阵列以及热界面材料，受到广泛关注。而目前碳纳米管大多是采用CVD法制备，工艺本身会造成材料含有大量缺陷，从而造成其热导率并不高，尤其量产过程。如果能够解决关键技术问题，碳纳米管在热管理领域将规模化应用，走得更快。
如何精准测量薄膜的热性能？
“这是个难题，测试方法很多，但使用不同技术测的结果也不同，非常不准确。我们曾做过实验，不同人用同样方法测试，误差高达到50%；另外，如果设备和技术与材料测试不匹配，也不能准确抓取测试中的物理量。对于厚膜来说，通常采用激光法，ASTM 标准，Hotdisk 法等标定测试，对于石墨烯等薄膜却很难准确测量。因为在捕捉物理量时，需 要考虑误差，包括空气对流以及其他环境影响，这就比较复杂。所以膜很薄时，建议采用焦耳自加热，热桥法等技术，特别是在真空条件下可以避免对流的影响。相对来说，薄膜的热性能测试是比较难的。”刘院士解释道。
刘建影院士说：“我们团队主要从碳基电子系统方面做一些开发工作：围绕纵向通孔结构、三维集成技术以及散热技术开发了一系列石墨烯器件和碳基材料。其中材料互联的关键在于工艺的解决，包括高导热高强度的结构。全碳基电子系统是我们团队目前在做的一项工作，包括碳纳米管的制备，石墨烯的制备，热导率检测方法与研发以及基础模拟来指导实验。另外，目前团队在探索石墨烯的应用时，除了研发散热，也在做石墨烯强化材料。这项工作需要解决的关键问题是：使用石墨烯时会掉渣，以及保持石墨烯高导热性能的同时，也需要满足高机械强度和弹性等要求。这个需求不仅是简单的导热问题，而是一个非常复杂的材料综合性评估问题。”
“有些科研成果是不成熟的，必须开放心态。在实验室成果对接放大到企业或市场的过程，可能市场上找不到成熟工艺、设备与其相匹配。没有近路可走，这是产业化路上必须要解决的问题，需要和设备供应团队合作，开发新设备。其实很多科研团队 都经历过漫长痛苦的探索，甚至投入大量时间精力与经费投入设备研发，但并没有成功。这就需要研究人员持之以恒，坚持不懈，广泛和用户合作，要有10年以上苦干的打算和心态。另外，需要国家政府的政策和资金支持。”
“看好感兴趣的方向，瞄准大的方向，时刻了解领域内的最新发展，同时打好基础，不懈努力。因为创新是没有近路可走的，走前人没走过的路，你就必须要有这种精神和心态。从材料到工艺都要熟悉，需要长时间努力打好扎实基础，并积极和其他团队 合作，相信自己肯定能成功。只有这样才有可能成功！”
