碳基半導(dǎo)體，扶搖直上九萬里？

碳基芯片技術(shù)的突破，有望解開中國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)頭上的緊箍咒。

遵循摩爾定律這一半導(dǎo)體業(yè)界的軌道，硅基半導(dǎo)體芯片的性能每隔18到24個(gè)月便會(huì)提升一倍。但隨著芯片尺寸不斷縮小，特別是當(dāng)芯片制造工藝水平進(jìn)入5nm節(jié)點(diǎn)，甚至逼近2nm以后，因?yàn)槭艿讲牧稀⑵骷土孔游锢淼南拗疲杌酒平锢順O限，就會(huì)出現(xiàn)量子隧穿導(dǎo)致的漏電效應(yīng)和短溝道效應(yīng)等問題。硅芯片的潛力被質(zhì)疑“殆盡”，碳基半導(dǎo)體則被認(rèn)為是后摩爾時(shí)代的顛覆性技術(shù)之一。

根據(jù)IBM研究，10nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)后碳納米管芯片在性能和功耗方面都將比硅芯片有明顯改善。從硅基7nm到5nm技術(shù)，芯片速度大約提升20%，而相比硅基7nm技術(shù)，碳納米管基7nm技術(shù)的芯片速度將提升300%。

硅基半導(dǎo)體的路上，我們難以越過“光刻機(jī)”的大山。但如果換條路，我國(guó)在碳基半導(dǎo)體上能否“扶搖直上九萬里”？

碳基半導(dǎo)體的優(yōu)勢(shì)

碳基半導(dǎo)體是一種在碳基納米材料的基礎(chǔ)上發(fā)展出的，以石墨烯、碳納米管，碳納米纖維，納米碳球等為主的材料，其中最有希望完成硅基替代的是碳納米管和石墨烯。它們被認(rèn)為是后摩爾時(shí)代的新曙光，我們來具體看一下碳基半導(dǎo)體的優(yōu)點(diǎn)。 

比硅基芯片更低的極限

碳納米管未來要做到5nm以下工藝才能與硅基競(jìng)爭(zhēng)，但再往后看，我們知道硅基芯片的極限在1nm左右，臺(tái)積電現(xiàn)在已經(jīng)在攻克2nm工藝了，瀕臨極限，硅基芯片結(jié)束似乎是遲早的事情，但碳基芯片不同。

碳基芯片可以做到更低。硅材料晶體管在10nm以下便會(huì)失去穩(wěn)定性，比于硅晶體管，石墨烯等碳晶體管優(yōu)勢(shì)在于其晶體管晶格高度穩(wěn)定，即使在單碳原子厚度下還能穩(wěn)定工作。

碳基有著比硅基更優(yōu)的性能和更低的功耗。

硅基芯片制造中最難的是用光刻機(jī)刻蝕出電極形狀，然后通過離子注入機(jī)參雜，實(shí)現(xiàn)電子型半導(dǎo)體和空穴型半導(dǎo)體。

而碳基芯片制造則完全避開這一復(fù)雜的步驟，只需要采用金屬鉛作為接觸電極，便得到空穴型半導(dǎo)體。簡(jiǎn)單來說，碳基芯片工藝更加簡(jiǎn)潔，無需光刻機(jī)，完全是另外一個(gè)賽道。而且，碳基芯片擁有超薄導(dǎo)電通道、極高穩(wěn)定性和高載流子遷移率，從而大幅降低芯片功耗。

碳基芯片由碳基晶圓打造而來，碳基晶圓的基礎(chǔ)則是石墨烯半導(dǎo)體材料。石墨烯的發(fā)現(xiàn)堪稱科學(xué)奇跡，它的厚度只有0.335nm，相當(dāng)于一根頭發(fā)的20萬分之一，但它卻比鋼鐵還硬上200倍。

并且石墨烯具有載流子遷移率高和熱導(dǎo)率好等優(yōu)良特性。石墨烯的導(dǎo)電性比硅強(qiáng)100倍，導(dǎo)熱性比銅強(qiáng)10倍，這使得石墨烯晶體管可獲得高的信號(hào)傳輸速度和良好的散熱性。未來，石墨烯有望在實(shí)現(xiàn)更小尺寸芯片、3D封裝互連和優(yōu)化芯片散熱等方面發(fā)揮重要作用，獨(dú)特的材料屬性使它將擔(dān)大任。

石墨烯做成碳基芯片性能將會(huì)是硅基芯片的10倍，但功耗卻能降到四分之一，比如采用90nm工藝的碳基芯片有望制備出性能和集成度相當(dāng)于28nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)的硅基芯片，采用28nm工藝的碳基芯片則可以實(shí)現(xiàn)等同于7納米技術(shù)節(jié)點(diǎn)的硅基芯片。

也就是說我們只要用28nm的光刻機(jī)，就能獲得全球最先進(jìn)EUV光刻機(jī)的效果。

除了石墨烯，碳納米管的優(yōu)點(diǎn)也很明顯。碳基半導(dǎo)體材料就是將晶體管的溝道由硅變成了碳納米管，被稱為碳納米晶體管。賽迪智庫(kù)集成電路研究所研究員麻堯斌以碳納米管為例表明了碳基半導(dǎo)體具備的優(yōu)勢(shì)。“CNT（碳納米管）具有極高的載流子遷移率、非常薄的主體尺寸和優(yōu)良的導(dǎo)熱性。基于CNTFET處理器的工作速度和能耗相比于硅基處理器可均具有約3倍的優(yōu)勢(shì)，即9倍左右的能量延遲積（EDP）的優(yōu)勢(shì)。

碳基無摻雜CMOS電路非常適合在低溫下工作。2021年，北京大學(xué)團(tuán)隊(duì)謝雨農(nóng)等人實(shí)驗(yàn)探索了碳納米管晶體管和電路在低溫下的工作特性，并發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度從室溫降低至液氮蒸發(fā)溫度時(shí)，網(wǎng)絡(luò)碳管薄膜晶體管比單管器件和主流的硅基器件都具有更好的溫度穩(wěn)定性。

碳基的應(yīng)用

美國(guó)較早開始探索石墨烯電子技術(shù)，美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)設(shè)立了眾多碳基電子基礎(chǔ)研究項(xiàng)目，涵蓋了碳基電子研究和應(yīng)用的各個(gè)領(lǐng)域。開展了多項(xiàng)有關(guān)石墨烯、碳納米管、碳化硅的碳基電子技術(shù)研發(fā)項(xiàng)目，主要涵蓋石墨烯電子器件、石墨烯電路、石墨烯傳感器、石墨烯在量子開關(guān)等量子技術(shù)中的應(yīng)用。

美國(guó)國(guó)防部先進(jìn)研究計(jì)劃局（DARPA）在2018年啟動(dòng)的“電子復(fù)興計(jì)劃”（ERI）中，投入高達(dá)15億美元的經(jīng)費(fèi)，希望從系統(tǒng)架構(gòu)、電路設(shè)計(jì)和底層器件三個(gè)方面探索未來的集成電路技術(shù)，其中最大的項(xiàng)目就是支持相關(guān)學(xué)術(shù)團(tuán)隊(duì)和芯片制造企業(yè)開展碳納米管集成電路技術(shù)的研究和產(chǎn)業(yè)化。

作為石墨烯的誕生地，歐洲十分注重在石墨烯應(yīng)用領(lǐng)域的戰(zhàn)略布局。早在2013年1月，歐盟委員會(huì)就計(jì)劃把“石墨烯旗艦計(jì)劃”列為首批“未來新興技術(shù)旗艦項(xiàng)目”之一。設(shè)立了12個(gè)應(yīng)用工作組負(fù)責(zé)材料應(yīng)用、復(fù)合材料、光電子、電子設(shè)備、傳感器、生物醫(yī)藥、健康及環(huán)境等研究方向，來推進(jìn)之后的應(yīng)用落地。

日本政府也非常重視碳基電子技術(shù)的發(fā)展，鼓勵(lì)學(xué)術(shù)界和企業(yè)界從事相關(guān)研究工作，大力推動(dòng)碳基電子技術(shù)商業(yè)化應(yīng)用。日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省資助開展“低碳社會(huì)實(shí)現(xiàn)之超輕、高輕度創(chuàng)新融合材料”研究，計(jì)劃投資９億日元探索碳納米管和石墨烯材料的批量合成技術(shù)。此外，日本日立、索尼、東芝等公司也投入了大量資源推動(dòng)石墨烯的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用開發(fā)。

我國(guó)碳基半導(dǎo)體發(fā)展的怎么樣？

國(guó)家全力助陣碳基半導(dǎo)體的發(fā)展。2021年工信部以重大關(guān)鍵技術(shù)突破和創(chuàng)新應(yīng)用需求為主攻方向，進(jìn)一步強(qiáng)化產(chǎn)業(yè)政策引導(dǎo)，將碳基材料納入“十四五”原材料工業(yè)相關(guān)發(fā)展規(guī)劃，并將碳化硅復(fù)合材料、碳基復(fù)合材料等納入“十四五”產(chǎn)業(yè)科技創(chuàng)新相關(guān)發(fā)展規(guī)劃，以全面突破關(guān)鍵核心技術(shù)，攻克“卡脖子”品種，提高碳基新材料等產(chǎn)品質(zhì)量，推進(jìn)產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)高級(jí)化、產(chǎn)業(yè)鏈現(xiàn)代化。

來源：全球碳基電子技術(shù)發(fā)展態(tài)勢(shì)分析

我國(guó)北大科研人員從2007年就開始研究碳基芯片， 2017年1月，北京大學(xué)張志勇、彭練矛課題組，成功制備出5nm柵極碳納米管CMOS器件，發(fā)展出一種全新的提純和自組裝單層碳管的方法，單層碳管直徑為1.45±0.23nm，純度達(dá)99.99995%；在4英寸基底上獲得了間隔為5nm的垂直有序排列的碳管陣列；首次制備出這種高質(zhì)量、高性能的碳管場(chǎng)效應(yīng)薄膜，并以此制作出了場(chǎng)效應(yīng)晶體管和環(huán)形震蕩電路（震蕩頻率在5.5 GHz以上）。這也是我國(guó)第一次掌握了世界最先進(jìn)的晶體管技術(shù)。

它突破了碳管電子學(xué)的發(fā)展瓶頸，首次在實(shí)驗(yàn)室中顯示出碳管器件和集成電路較傳統(tǒng)技術(shù)的性能優(yōu)勢(shì)，首次制作出了無摻雜的碳管CMOS晶體管，性能非常優(yōu)秀并遙遙領(lǐng)先傳統(tǒng)硅器件，為推進(jìn)碳基集成電路的實(shí)用化發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，它是制作5nm碳基芯片的根本技術(shù)，其工藝技術(shù)可以批量生產(chǎn)，其工藝技術(shù)世界領(lǐng)先。

2021年5月，北大團(tuán)隊(duì)再次實(shí)現(xiàn)了碳基芯片的突破，找到了實(shí)現(xiàn)高純度碳納米管整齊排列的新工藝。如今我們8英寸石墨烯晶圓亮相，攻克了讓無數(shù)美國(guó)企業(yè)，望而卻步的石墨烯提純難題。

北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院電子學(xué)系主任、中國(guó)科學(xué)院院士彭練矛說道，“我們?cè)谔蓟呻娐愤@條路上走了20年，還沒有看到什么令我們覺得走不下去的障礙。”這番話不免讓大家燃起了芯片制造中國(guó)后來居上的希望。

走過千山萬水，仍需跋山涉水，碩果累累但也前路漫漫?？傊绻贝筇蓟酒茼樌_發(fā)，則有望助華為和中國(guó)芯片業(yè)繞開光刻機(jī)，制造出性能更優(yōu)越的碳基芯片。

“我們的碳基半導(dǎo)體研究是代表世界領(lǐng)先水平的。”彭練矛表示。我國(guó)的先進(jìn)研究成果最終會(huì)落地到應(yīng)用，碳基技術(shù)在不久的將來可以應(yīng)用于國(guó)防科技、衛(wèi)星導(dǎo)航、氣象監(jiān)測(cè)、人工智能、醫(yī)療器械等多重領(lǐng)域。

由于碳基半導(dǎo)體能耗低，未來使用碳基芯片的手機(jī)電池續(xù)航能力會(huì)大大提高。同時(shí)，安裝了這種高效芯片后，未來手機(jī)的攝像頭性能也將大大增強(qiáng)。

此外，彭練矛的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在著手研究碳材料的醫(yī)用傳感器，用來檢測(cè)血壓、心跳和血糖等生化指標(biāo)。由于碳材料與人體兼容性高，且有良好的柔韌性，這種傳感器可以完美貼合皮膚，讓人感覺不到它的存在。

碳基芯片技術(shù)的突破，將為整個(gè)中國(guó)的芯片領(lǐng)域發(fā)展帶來新的希望，為中國(guó)芯片突破西方封鎖、開啟自主創(chuàng)新時(shí)代開辟一條嶄新的道路，解開中國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)頭上的一道緊箍咒。

美國(guó)貿(mào)易戰(zhàn)的威脅下，碳基芯片為中國(guó)芯片彎道超車提供了賽道，碳基芯片的核心元器件碳納米晶體管材料的研制成功，為我們提供了急需的超級(jí)跑車。如果有一天硅晶體管的尺寸將無法再縮小，芯片性能提升也將接近物理極限。那么碳管就會(huì)成為“柳暗花明”的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，或許等碳管開始量產(chǎn)之時(shí)，正是國(guó)產(chǎn)芯片出頭之日。

作者：美月