碳纳米管|碳纳米管：“中国芯”的另一种可能
如果把芯片比作一栋房子 ， 晶体管就是建房的“砖瓦” 。 多年来 ， 晶体管一直以硅为材料 ， 由此制成的硅基芯片技术更新遵循摩尔定律 ， 半导体产业专注于用不断缩小晶体管尺寸的办法提升芯片性能 。 目前 ， 传统硅基晶体管性能提升已接近其物理极限 。 为此 ， 科学家一直试图寻找能够替代硅的芯片材料 ， 发展下一代晶体管集成电路 ， 一个备受瞩目的候选者 ， 就是碳纳米管 。
中国科学院院士、北京大学信息科学技术学院电子学系教授彭练矛团队最近在国际顶级科学期刊《科学》上发表成果 ， 首次在实验上显示出碳纳米管器件和集成电路较传统技术的性能优势 。 碳基芯片的时代 ， 似乎离我们又近了一步 。
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研究人员在光刻间工作
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碳纳米管为什么行？
上世纪末从牛津归国以来 ， 彭练矛教授带领研究团队在碳基集成电路领域已经默默耕耘20余年 ， 取得了一系列与碳基电子器件相关材料和制备工艺有关的突破性研究成果 。
2017年 ， 彭练矛团队开创集成电路无掺杂制备新技术 ， 首次制备出栅长仅5纳米的碳纳米管CMOS（互补金属氧化物半导体）器件——这是当时世界最小的高性能晶体管 ， 综合性能10倍领先于同时期性能最优的硅基晶体管；其工作速度3倍于英特尔最先进的14纳米商用硅材料晶体管 ， 能耗只有硅晶体管四分之一 。
2018年 ， 彭练矛团队再次突破理论极限 ， 发展出新型超低功耗晶体管——狄拉克源晶体管 ， 大幅降低了传统晶体管工作所需驱动电压 。
最新的研究成果中 ， 彭练矛团队与其合作者发布了多次提纯和维度限制自组装方法 ， 在4英寸基底上制备出密度高达120根/微米、半导体纯度超过99.9999%的碳纳米管平行阵列 ， 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 。
“碳纳米管要真正实现产业化 ， 材料问题是最大限制 。 ”彭练矛教授团队核心成员、北京大学电子学系碳基电子学研究中心张志勇教授介绍 ， 这一系列成果制备出了超高半导体纯度、顺排、高密度、大面积均匀的碳纳米管阵列薄膜 ， “真正显示出碳纳米管在集成电路方面的潜力和性能优势” 。
如何用一句话概括这20年的甘苦？彭练矛说：“我们解决了20年来大家都知道却悬而未决的难题 。 ”
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研究人员在电子束蒸发镀膜仪前工作
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“换道超车”的可能
毫微之间的碳纳米管晶体管技术 ， 凝聚着对中国半导体产业意义深远的梦想蓝图 。
尽管中国是半导体芯片消费大国 ， 但芯片一直是“中国制造”的短板 。 硅基集成电路技术被海外巨头长期垄断 ， 我国一直处于受人“卡脖子”的境地 。 在彭练矛看来 ， 随着硅基芯片的性能走向物理极限 ， 碳基芯片的科研突破给中国芯片产业提供了“换道超车”的可能 。
彭练矛说 ， 与国外硅基技术造出来的芯片相比 ， 我国碳基芯片在处理大数据时不仅速度更快 ， 且至少节约30%的功耗：“我们在碳纳米管晶体管材料和器件方面的研发技术是世界先进水平 。 ”
尽管每天面对的是显微镜下比红细胞还小的晶体管 ， 彭练矛脑海里经常浮现的是一幅幅关乎人类未来的恢弘图景：连续使用若干天无需充电的智能手机；可穿戴、体感舒适的微型医疗传感器；敏感性更高的机器人皮肤……在他和他的同道眼中 ， 碳基芯片未来可应用于高能效通用计算、国防科技、卫星导航、气象监测、人工智能、医疗器械等多个领域 。
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呼唤“国家队”支援
梦想熠熠生辉 ， 但前路并非一片坦荡 。 从材料到工艺再到设计 ， 硅基技术的链条与生态已非常成熟 ， 而碳基技术的探索才刚刚在实验室起步 ， 应用前景仅仅在理论上得到证实 ， 想要走上产业化大道 ， 除了需要科学家继续攻关 ， 来自国家和企业的支持与合作也必不可少 。
2018年9月 ， 由北京市科委和北京大学共建的新型研发机构——北京元芯碳基集成电路研究院在北京成立 ， 彭练矛担任研究院院长 。 今年3月 ， 北京市重点项目、总投资超过4亿元的第三代等先进半导体产业标准化厂房项目在中关村顺义园开工建设 ， 2022年将建成碳基8英寸90纳米工艺先导线 ， 用于碳基集成电路技术研发和工程化推进 。
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研究人员正用光学显微镜检查流片结果
“芯片这样的基础性研究应该获得更多的关注 ， 因为它对于一个国家的科技实力提升起着核心支撑作用 。 ”彭练矛认为 ， 碳基技术的产业化除了要有敢于拥抱新技术的企业参与 ， 更需要在国家主导下持续加大投入 ， 建设国家级研发平台 ， 才能尽快推动形成全产业链条 。
“造出性能更好、能耗更低的碳纳米管集成电路 ， 让我们的技术尽快、尽可能多地运用到后摩尔时代的芯片制造业 ， 使中国科技也能引领世界文明的发展 ， 这就是我们团队的‘中国梦’ 。 ”彭练矛说 。
来源：《半月谈》2020年第12期
半月谈采访人员：魏梦佳 | 编辑：范钟秀
责编：张婉祎
【碳纳米管|碳纳米管：“中国芯”的另一种可能】校对：孙好（实习生）
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