北大教授突破碳基半导体技术，在《科学》发表三篇论文！“中国芯”梦想更进一步

中国在硅基芯片上的落后态势，有可能在未来的碳基芯片上得以改观。

2020 年 5 月 22 日，北京大学电子学系彭练矛院士和张志勇教授团队在《科学》杂志发表《用于高性能电子学的高密度半导体碳纳米管平行阵列》论文，介绍了该团队最新发展的多次提纯和维度限制自组装方法。

图 | 彭练矛院士和张志勇教授团队，在《科学》杂志发表的论文（来源：Science 官网）

据了解，该方法可以在四英寸基底上，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（以下简称“碳管”）平行阵列，并在此基础上，首次实现性能超越同等栅长的硅基 CMOS 技术的晶体管和电路。这一成果，也将为碳基半导体进入规模工业化奠定基础。

图 | 北京大学电子系教授、中科院院士彭练矛（来源：DeepTech 摄）

在 5 月 26 日的媒体见面会上，彭练矛表示，用碳管制成的芯片，有望使用在手机和 5G 基站中。DeepTech 也注意到，当天有来自华为的技术人员出席会议。

据悉，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。DeepTech 从该研究院的工作人员处了解到，未来不排除华为等国内厂商，在芯片中使用碳管的可能。

图 | 北京碳基集成电路研究院（来源：DeepTech 摄）

相关研究三次登上《科学》

一直以来，英特尔和台积电等晶圆厂商，都使用硅基技术，来生产芯片。但由于摩尔定律的日渐式微，当下的硅基芯片技术，即将碰触极限。

而在地球上普遍存在的碳元素，和硅是同族元素，它俩的化学属性和物理属性，也非常相似。IBM 的理论计算表明，如果完全按照现有二维平面框架设计，相比硅基技术，碳管技术具备 15 代的技术优势。斯坦福大学的研究也表明，碳管技术有望将常规的二维硅基芯片技术，发展成三维芯片技术。这至少能将当前芯片的综合能力，提升 1000 倍以上。故此，碳管也是公认的、最理想的硅晶替代品。

图 | 碳纳米管——理想的晶体管材料（来源：DeepTech 摄）

北京碳基集成电路研究院的一位技术人员告诉DeepTech：多年来，英特尔和 IBM 等国外厂商，并非对碳管视而不见，但由于研究周期长、成果转化不确定，以及碍于投资人压力，他们均未能在碳管技术方面有所建树。

多年来，通过制备超高半导体纯度的、顺排的、高密度的、大面积均匀的碳纳米管阵列薄膜，从而制备出首个超越相似尺寸的硅基CMOS的器件和电路，一直都是基础制备材料中的梦想。

而本次彭练矛团队在《科学》杂志发表的成果，标志着碳管电子学领域、以及碳基半导体工业化的共同难题被攻克。

据彭练矛团队介绍，碳管作为一种新型纳米半导体材料，在物理、电子、化学和机械方面，具备特殊优势。如果碳集信息器件技术，可以充分利用上述优势，就有希望生产出性能优、功耗低的芯片。

图 | 碳管高速集成电路

彭练矛在采访中介绍，使用上述技术，可生产出三类产品：信息处理芯片、传感器芯片和通信芯片。以微型医疗传感器芯片为例，这种芯片很小，佩戴在人体上几乎无感，因此非常适合老人在家时，给自己做健康测试。

实际上，在此之前，彭练矛团队凭借碳基半导体的研发成果，已经两度在《科学》杂志发表论文。

第一次是 2017 年。彭练矛带领团队，首次制备出栅长 5 纳米的碳管晶体管、也是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，接近了理论极限。具体来说，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。

第二次是在 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，甚至有厂商开始被人称为“牙膏厂”。

而理论上来看，碳管比硅晶体的潜力更大。所以，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。

此外，该团队还曾在《自然》子刊（“Nature Electronics” et al.）上发表多篇论文。

图 | 碳基工艺平台的应用验证（来源：DeepTech 摄）

伏案研究二十载，只为这片“中国芯”

近日，被美国敲打的华为，因为台积电为其协调芯片生产，再次登上热搜。有网友质疑 “华为这么厉害一个芯片都靠别人？” 如果了解芯片生产，你就会发现，国内的芯片技术能力，好比一只边缘不齐的木桶，其短板之处，决定着中国还无法实现芯片自主。

一块指甲大的芯片，需要设计、制造和封测三大环节。

设计环节中，中国设计芯片的工具，用的依旧是国外的 EDA 软件。即便厉害如华为海思，也才刚于 2018 年实现 “去美国化”；制造环节中，荷兰 ASML 的光刻机，也会因美国拦阻、而不敢卖给中国；至于封测环节，尽管中国表现较好，但是该环节利润偏低。

不够先进——仍旧是摆在“中国芯” 面前的困局。而彭练矛早在二十年前，就开始为 “中国芯” 奔走努力。

回首过去几十年，彭练矛和团队的研究，一路披荆斩棘。

1997 年，北京大学成立全国第一个纳米科技研究机构：北京大学纳米科学与技术研究中心。1999 年，彭练矛从当时任职的牛津大学，回到母校北京大学，从事纳米微电子研究。

彭练矛曾在日后的采访中，对北大校报记者称：“最开始的七年是在不断摸索中度过的。”那时，国外大学和厂商，在纳米电子技术、设备和经验上，把持着最高话语权，国内相关研究一直处于落后和停滞状态。在一穷二白的大环境中，彭练矛团队在早期研究中，吃了不少“败仗”。

但是彭练矛“不撞南墙不回头”，他和团队开始模仿 IBM 的产品，打算走先复制、再超越的道路。

耗时整整 8 年，彭练矛终于迎来第一颗果实。2007 年，他在纳米电子学研究中的第一项标志性成绩诞生：碳管制备技术，得到初步突破。

然后又是整整十年的冷板凳。如前文所述，到了 2017 至 2018 年，彭练矛团队先后两次在《科学》期刊发表论文。

而 2020 年最新发表的这项成果，是在碳基半导体制备材料上，解决了纯度、面积和密度顺排等长期无法攻克的问题。北京碳基集成电路研究院的专家告诉 DeepTech，自两年前 4 吋碳基晶元的整条线投入从制备、电路设计、光刻、封装全线的实验以来，已经在产品端上出了 4 吋 5 微米栅长的碳基晶元。这次的成果直接可以跟前端射频器件厂商牵手。

当前，中国在碳基信息电子器件领域，不仅基础扎实，研究能力也很强，并已处于世界先进水平。彭练矛团队表示：“（我国）应充分抓住时间窗口，利用新技术的红利，形成全新的、自主的信息器件技术。”

图 | 领先世界的碳芯片技术（来源：DeepTech 摄）

彭练矛曾说，如果把芯片比作一栋房子，晶体管就是建房的砖头，一栋栋的房子就构成了我们的信息社会。关于摩尔定律的终点，业界没有定论，但 2020 年至 2025 年，是人们普遍认为的摩尔定律“死亡期”。

如果那一天真的来到，硅晶体管的尺寸将无法再缩小，芯片性能提升也将接近物理极限。那么，碳管就会成为新的“砖头”，或许等碳管开始量产之时，正是国产芯片出头之日。

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