科技强哥说深度解密碳基芯片进展！换道探索20年，打造“中国芯”还要多少年( 三 )
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在“跟车”的这段时间里 ， 他们始终没有等到碳管材料领域出现重大突破 ， 于是接下去的10年里 ， 课题组放弃传统掺杂工艺 ， 研发了一整套高性能碳纳米管晶体管的无掺杂制备方法 ， 突破碳基N型MOS管制备的难题 。
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两次登上《科学》杂志
第一次是 2017 年 。 团队首次制备出栅长5纳米的晶体管 ， 为世界上迄今最小的高性能晶体管 ， 综合性能比当时最好的硅基晶体管领先十倍 ， 其工作速度 3 倍于英特尔当时最先进的 14nm 商用硅材料晶体管 ， 但能耗却只有其四分之一 。
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第二次是2018 年 。 高功耗给集成电路带来的发展瓶颈 ， 越来越严重 ， 半导体厂商也开始不断推迟新工艺上市时间 。 彭练矛团队在审视传统晶体管功耗的物理极限后 ， 他们提出并制备出一种新型超低功耗晶体管：狄拉克源晶体管 。 该晶体管 ， 可大幅降低传统晶体管工作时需要的驱动电压 ， 能够满足未来超低功耗集成电路的需要 。
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最新碳管研究成果
这次课题组发展全新的提纯和自组装方法 ， 制备高密度高纯半导体阵列碳纳米管材料 ， 并在此基础上首次实现了性能超越同等栅长硅基CMOS技术的晶体管和电路 ， 展现出碳管电子学的优势 。 针对“6个9”的纯度目标 ， 课题组采用多次聚合物分散和提纯技术得到超高纯度碳纳米管溶液 ， 半导体纯度达99.99995% 。
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在排列方面 ， 该研究团队提出结合维度限制自排列法 ， 在国际上实现超越 ， 可以在4英寸晶圆上 ， 制备出密度高达 120 / 微米、半导体纯度超过 99.9999%、直径分布 1.45±0.23nm 的碳纳米管平行阵列 ， 理论上达到了超大规模碳纳米管集成电路的需求 。
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团队已与华为对接交流
彭教授表示 ， 走到现在这一步 ， 就可以开始谈论规模产业化了 。 团队的下一个目标 ， 是在2-3年内完成90纳米碳基CMOS先导工艺开发 ， 性能上相当于28纳米硅基器件 。 虽然不是高端技术节点 ， 但却是可以进入市场的门槛 。
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北京碳基集成电路研究院 ， 是碳管技术的主要研究单位 ， 该单位由北京市科委和北京大学共建 。 目前 ， 研究院正在和华为等国内厂商对接 ， 未来不排除华为等国内厂商 ， 在芯片中使用碳管的可能 。
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碳基芯片的未来应用
彭练矛院士表示 ， 碳基半导体研究是代表世界领先水平 。 与国外硅基技术制造出来的芯片相比 ， 我国碳基技术制造出来的芯片在处理大数据时不仅速度更快 ， 而且至少节约30%的功耗 ， 若应用到智能手机上 ， 因其拥有更低的功耗 ， 将使待机时间大幅延长 。
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碳基半导体具有成本更低、功耗更小、效率更高的优势 ， 更适合在不同领域的应用而成为更好的半导体材料选项 。 不久的将来可以应用于国防科技、卫星导航、气象监测、人工智能、医疗器械等多重领域 。
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