新一代「碳基晶片」誕生，碳納米管工藝迎來突破，性能或提升10倍

集成電路在我們的應用中非常廣泛，它讓我們的設備變得更加輕便化，體積也越來越小，就拿我們經常用的手機來說，從以前的「大哥大」，到現在的手持式智慧型手機，這些都得力於集成化電路的發展。它可以用1平方釐米大小的晶片裝下以前需要一平方米才能完成的電路。

而我國也因為高端光刻機的原因，在7nm晶片以下的生產工藝上一直無法突破，目前生產的晶片也只能達到24nm工藝，通過N+1工藝也只能勉強為14nm，和ASML目前最新的5nm工藝來說相差還是很遠的。不光如此我國目前生產的晶片合格率和產量都是非常低的。2019年我們的晶片自給率還不足20%。

那麼在這個時候，想要彎道超車生產出高端工藝的晶片，除了在製程工藝上突破外，我們還可以從材料上進行突破，就這樣，一種由新型碳納米管材料製作而成的「碳基晶片」誕生。我們都知道，目前手機和電腦中使用的這些晶片都是半導體矽基晶片，主要材料是矽晶體。而碳基晶片的材料採用的是碳納米管，兩者材質的不同，我們便有了兩種不同的稱呼。

新一代碳基晶片誕生

在5月26日，北京碳基集成電路研究院傳來一個好消息，由中國科學院院士彭練矛和張志勇教授帶領的研發團隊，花費了近20年的時間，終於在新型「碳基半導體」中取得重大的研究成果，不僅是突破了「碳基半導體」製造設備的瓶頸，更是實現了全球領先的「碳基納米電晶體」晶片的製造技術。使得我們的晶片進入了「碳基時代」。

碳基晶片的發展

早在2年前，彭練矛院士和他的團隊就已經製造出4吋5微米柵長的碳基晶片，相當於目前28nm工藝矽基晶片的性能，在同等柵長的矽基晶片對比下，性能至少提升了10倍以上。這得益於目前可達到1-3納米直徑的碳納米管工藝，特別適合做小尺寸的電晶體，能夠做成立體控制結構，也有利於實現電路控制，也就是能實現更好的電路導通性，實現更快的0和1的二進位計算。

晶片的兩種結構

我們都知道晶片中的電晶體其實就是納米級的場效應管，執行著開和關，也就是0和1的二進位操作，正常的場效應管有三個極性，分別為源極、柵極和門極。並且分為P溝道和N溝道兩種類型，而門極就相當於開關一樣，我們簡單的講解一下兩者的工作原理：首先我們在保證源極的一直有電壓，N溝道的場效應管在門極大於一定電壓的時候，場效管便會導通工作，而P溝道的是相反的，當門極為低於電壓的時候才工作，但P溝通的製作難度要大很多，損壞率高。所以一般常用的是N溝道類型的設計。

碳基晶片面臨的困難

1、碳納米管的製作投入資金量大

碳納米管的製作方法很多，但是基本工藝都只能保證在99.99%純度，想要達到能製作晶片的要求，就必須要把碳納米管提純到99.9999%，這個程度的碳納米管才能保證生產的「碳基晶片」性能更加穩定。想要達到批量生產純度99.9999%難度還是非常大的。但是相比製作高端光刻機來說，這個可能更容易突破一些，但是投入的研發資金也會是巨大的。

2、高端人才稀缺，工藝難度更高

彭練矛院士表示：「現代晶片製備有上千個步驟，其中一步做不好，就沒有好的產品。最後是一個系統優化的問題，材料、器件、晶片設計等密不可分。碳納米管的製造乃至商用，面臨最大的問題還是決心，國家的決心。若國家拿出支持傳統集成電路技術的支持力度，加上產業界全力支持，3-5年應當能有商業碳基晶片出現，10年以內碳基晶片開始進入高端、主流應用。」

我國的集成化電路的人才相對緊缺，反而材料和化工領域的高手很好找。想要將「碳基晶片」轉成產業化的話，需要全國各大晶片設計和製造廠商一起研究開發和適配，並且除了硬體之外，系統的驅動和優化也是保證整顆晶片能否正常工作的主要原因，彭練矛院士表示，這項工作想要批量投入使用，至少需要3-5年的時間。

總結一下

碳納米工藝因其獨特的性能，將更適合做3nm以下工藝的晶片。也將加速推動「摩爾定律」的發展。在晶片的發展歷史上，碳基晶片或許是能打破矽基晶片瓶頸的一個新的方向，也是我國擺脫被高端光刻機卡脖子的重要手段，就算是需要光刻機輔助，想要讓「碳基晶片」達到目前矽基7nm的水平，我們現在國產的光刻機就足夠了。