3nm晶片，用碳取代矽可行嗎？

就在兩天前，北京大學一支碳納米半導體材料研究團隊登上全球頂級學術期刊《自然·電子學》，該課題組研發出一種可「抗輻射」的碳納米管電晶體和集成電路、可用於航天航空、核工業等有較強輻照的特殊應用場景。此項研究成果意味著我國碳基半導體研究成功突破抗輻照這一世界性難題，為研製抗輻照的碳基晶片打下了堅實基礎。

「碳納米管（CNT）具有優異的電學性能、準一維晶格結構、化學穩定性好、機械強度高等特點，是構建新型CMOS電晶體和集成電路的理想半導體溝道材料，有望推動未來電子學的發展。並且，由於碳納米管具有強碳-碳共價鍵、納米尺度橫截面積、低原子數等特點，可以用來發展新一代超強抗輻照集成電路技術。但如何將碳納米管的超強抗輻照潛力真正發揮出來，卻是全世界科學家面臨的幾大難題之一。」聯合研究組成員、北京大學碳基電子學中心副主任張志勇教授說。

其實，這已經是這支團隊今年第二度登上頂級學術期刊。早在5月份，這支團隊就憑藉一種創新的碳納米管電晶體製備方法登頂《科學》。那麼，這種頻頻受到頂級期刊青睞的「碳納米管電晶體」到底是什麼？又有什麼研究意義？

要搞清這個問題，還要從半導體行業的黃金定律「摩爾定律」說起。

摩爾定律預言，集成電路上可容納的電晶體數目約每隔兩年會增加一倍。只要晶片上電晶體的數目按照預言增加，晶片行業就能穩吃紅利。

可惜的是，摩爾定律指明了半導體行業應該追逐的方向，但沒有指出一條道路。

從1995年開始，對電晶體尺寸即將達到極限的預言不斷被拋出。為了阻止「摩爾定律將終結」這把懸頂之劍落下，一部分學界、業界研究者幾番力挽狂瀾，通過改進電晶體架構、改良製造設備來為摩爾定律「續命」。

另一邊，一群「特立獨行」的的研究者卻把目光放在了半導體材料上。他們提出，乾脆換用其他材料製備電晶體，放棄矽基材料這盤「死棋」。而在眾多替代材料中，碳納米管材料最被看好。今年五月份，我國北京大學研究團隊在製備碳納米管方面取得了世界先進性成果，有望把晶片製程推進3nm以下！就在兩天前，北京大學研究團隊在碳納米半導體材料方面的最新進展又被學術期刊《自然·電子學》收錄。

其實早在2008年，ITRS研究報告曾明確指出，未來的研究重點應聚焦於碳基電子學。

除了是晶片產業的「明日之子」，碳納米管電晶體對我國晶片產業更有別樣的意義。今年，美國對我國的晶片技術的進出口管制進一步收緊。華為首當其衝，而華為背後是整個國內產業鏈受到了衝擊。

我國的碳納米材料研發起步較早，近期北大團隊的研究成果更是在全世界範圍內「先聲奪人」。在「自研」的重要性被外力無限放大的今天，碳納米管技術方面的優勢不容忽視。

碳納米管半導體到底是什麼？用碳納米管做替代可行嗎？這是不是一招妙棋？這就是智東西今天要回答的問題。

一、偶然被發現的半導體產業「明日之子」

半導體早期發展階段，電晶體由鍺製作。發現鍺材料製成的晶片難以承受高溫工作條件後，研究人員翻開元素周期表，選出與鍺屬於同族、儲量更足、耐熱性更好的矽成為替代。

相比矽材料的「按圖索驥」，碳基半導體材料被發現要偶然得多。碳納米管由碳分子管狀排列而成，可看作是由單層石墨捲成了一個「圓筒」，需要由石墨棒等碳材料經特殊方法製備而成。

1991年，日本物理學家飯島澄男就職於日本筑波市的NEC（日本電氣）基礎研究所，專長於納米科學、電子顯微鏡學等領域。

當時，飯島用高分辨透射電子顯微鏡，觀測用電弧法產生的碳纖維產物，意外發現了碳納米管。飯島澄男曾在美國、日本指導大量中國學生，2011年，飯島澄男當選為中國科學院外籍院士。

▲飯島澄男

通過對碳納米管材料的研究，人們發現它具有相比矽基材料更為優異的半導體特性，特別是在高遷移率、納米尺寸、柔性、通透性、生物可兼容性方面。這些優異特性意味著碳基集成電路將具備高速率、高能效的優勢。

基於上述性能優勢，相比矽基電晶體，碳納米管電晶體具有5～10倍的速度和能耗優勢，適合用於高端電子學應用、高頻器件應用、光通訊電路應用、柔性薄膜電子學應用。

二、二十餘年成長史：IBM/斯坦福紛紛入局

飯島澄男的發現開啟了對碳納米管這種材料的研究，也為碳納米管的半導體應用買下伏筆。在實際應用方面，IBM是「第一個吃螃蟹的勇士」。

1998年，IBM研究人員製作出首個可工作的碳納米管電晶體。從那以後很長時間，IBM一直對碳納米管電晶體表現出濃厚興趣。

2012年，IBM研究人員製造出一個溝道長度為9nm的碳納米管電晶體。這是世界上首個可以在10nm節點以下工作的電晶體。同年，IBM基於標準半導體製程，研究出將超1萬個碳納米管電晶體集成到一顆晶片中的技術。

▲IBM製備的9nm溝道長度碳納米管電晶體示意圖

2014年，IBM更是拋出豪言壯語，稱要在2020年之前利用碳納米管制備出比其時晶片快5倍的半導體晶片。2017年，IBM研究將碳納米管電晶體尺寸推進40nm。IBM還曾組建一支專攻碳納米管半導體技術研發的團隊，就在IBM的T·J·華盛頓研究中心，由Wilfried Haensch領導。

▲IBM碳納米管項目負責人Wilfried Haensch

除IBM外，斯坦福、麻省理工、英特爾等機構也紛紛上馬碳納米管技術研究。

2013年，史丹福大學研究團隊用178個碳納米管電晶體製造出一個碳基晶片。當時，斯坦福研究人員評論稱：也許有一天矽谷會變成碳谷。

▲史丹福大學2013年製造出的碳基晶片

2015年，英特爾科技分析師Rob Willoner透露，英特爾正考慮在未來晶片技術中使用碳納米管電晶體。

2019年，麻省理工學院研究人員與晶片製造商Analog Devices合作，製造出全球首個全功能、可編程的16位RISC-V架構碳基處理器。該處理器能夠完整地執行整套指令集。它還執行了經典的「Hello，World！」程序的修改版本，打出了「Hello, World！I am RV16XNano，made from CNTs（你好，世界！我是RV16XNano，由碳納米管制成）」。

▲麻省理工研究團隊製造出的16位RISC-V架構碳基處理器

2019年7月，DARPA召開「電子復興計劃」。斯坦福-麻省理工的碳納米管項目獲得資助。

半導體廠商巨頭、學術研究領先者紛紛下注碳基半導體，再次反證了碳納米管材料在半導體領域的巨大潛能。

但是，這並不代表著對碳納米管半導體技術的研發會一帆風順。1998年首個碳納米管電晶體研發至今，碳納米管半導體技術一直遭遇材料上的瓶頸。長期以來，最小碳納米管CMOS器件的柵長停滯在20nm（2014年 IBM）。

具體來說，為了滿足大規模高性能集成電路的要求，需要碳納米管電晶體同時滿足兩個要求：

1. 排列和密度方面，需要一種高取向陣列方法，要求在1微米中放下100至200根碳納米管，以保證電晶體數目；

2. 純度方面，需要半導體純度大於99.9999%、或者金屬型碳管含量小於0.0001%，以保證半導體性。

目前，在碳納米管半導體領域發展較好的外國企業是美國存儲晶片製造商Nantero。根據Nantero官方信息，該公司計劃於今年晚些時候推出基於碳納米管電晶體的NRAM產品。

▲Nantero的NRAM產品

三、我國的碳基半導體研究「風景獨好」

國外碳納米管半導體材料研發停滯不前六七年。有媒體報導稱，IBM的碳納米管研發團隊已經黯然解散，相關人員大多進入高校進行學術研究。

反觀我國，我國的碳納米材料研究起步較早。1997年，北京大學成立全國第一個納米科技研究機構：北京大學納米科學與技術研究中心。

2002年，清華大學吳德海教授團隊和美國倫斯勒理工學院P.M.Ajayan教授合作，首次製備出利用浮動化學氣相沉積方法製備直徑約為300至500微米的碳納米管束。

同年，清華大學範守善教授團隊報導了從碳納米管陣列拉絲製備碳納米管纖維的方法。除了這些成就，據2014年數據，我國有超過1000家高校和科研所從事碳納米材料研究活動，在碳納米材料的研究方面不斷創新。

碳納米管半導體技術研發方面，相比國外一卡六七年的狀況，我們頗有些「這邊風景獨好」的意思。

中國碳基納電子器件代表研究機構有中科院、北京大學、清華大學等。今年5月份，北京大學發起的北京元芯碳基集成電路研究院，在權威學術期刊「Science」上發表一種全新的碳納米管制備方法，首次同時實現了碳納米管電晶體的高密度、高純度要求。

使用該方法製備的碳納米管純度可達到99.9999%，陣列密度達到120/微米。通過這一技術，研究人員有望將集成電路技術推進到3nm節點以下！

▲北大團隊研發的晶圓級高質量碳管陣列薄膜

這個消息一經公布，我國從事碳納米材料研發、生產的幾家企業股票紛紛開漲。代表的有楚江新材、銀龍股份旗下碳基研究院、中科電氣、丹邦科技等。

在這些公司中，丹邦科技可以算是我國碳基半導體領域的一支強勁力量。丹邦科技成立於2001年，專門從事撓性電路與材料的研發和生產，是深圳證券交易所中小板上市企業。

2019年，丹邦科技自主研發的TPI量子碳基薄膜成功試生產。作為世界上唯一具備TPI量子碳基薄膜量產能力的企業，據稱其技術已被蘋果、華為看中。有消息稱華為已經進入中試階段。

TPI量子碳基薄膜具有多層石墨烯結構，主要用於5G手機、晶片、筆電、柔性屏散熱等使用場景。

6月30日，丹邦科技披露了其2019年年度報告。數據顯示，2019年丹邦科技營業收入為約3.47億元，其中PI膜業務約佔167萬，佔比0.48%。

四、結語：碳基材料有望挑起未來半導體產業「大梁」

按照國際半導體技術發展路線圖委員會（ITRS）預測，矽基半導體的性能將在2020年左右達到物理學極限。

2020年，最先進的晶片製程節點推進5nm。5nm之後，全球半導體產業何去何從？哪怕不是2020年，矽基電晶體的尺寸極限終將到來，到那時晶片產業又該怎麼辦？

面對矽基材料的尺寸極限，換用碳基材料不失為一個方法。我國北大研究團隊在製備碳納米管電晶體方面取得的成就正是把碳基半導體向產業應用推進了一步，也有助於我國為「摩爾定律將終結」的預言未雨綢繆。

在北大團隊發表「Science」論文後的6月1日，麻省理工學院的碳納米管研究也取得進展。根據發表在《自然·電子學》上的論文，麻省理工研究人員證明了碳納米管可以在工廠量產。

從1991年被發現至今，碳納米管技術一直在穩步發展。或許在未來，碳基材料將成為半導體領域「挑大梁」般的存在，讓我們拭目以待。