碳基晶片會超越現有的矽基晶片嗎？

碳基晶片的消息由來已久，但遠不及這次來的激動人心！

北京大學信息學院電子學系主任、中國科學院院士彭練矛近日在北京碳基集成電路研究院展示一片8英寸晶圓上，排滿了碳納米管電晶體。

張志勇-彭練矛課題組使其製備出的器件和電路在真實電子學表現上首次超過了矽基產品。相關成果發表在世界頂級學術期刊《科學》（Science）上。

彭練矛說道團隊的下一個目標，是在2-3年內完成90納米碳基CMOS先導工藝開發，性能上相當於28納米矽基器件。

這時候，優良的性價比讓其具有很大的市場競爭力，前途一片美好。更何況，在10納米以及更低的尺度下，碳基晶片有十倍於同等規格矽片的性能和更低的功耗，相關論文2017年登上《科學》雜誌。

眾所周知，世界上第一個基於鍺半導體的電晶體面世後，科學家發現了這一元素家族在半導體的先天優勢，隨後更容易製備，成本更低的矽半導體被製造出來，矽基半導體的領先一直持續到了現在，而且還在進步！

在1納米和更小的刻度上，矽基晶片的量子隧穿效應將使得電子自發的躍遷到相鄰的空位，從而使得電晶體構成的邏輯門失效，這樣晶片就沒用了。（理論上5納米也有隧穿效應）但是也不是說矽基晶片走到盡頭了，現在流行的3D封裝就是向立體進軍，在空間上增加電晶體密度，這樣晶片的性能也能大幅度提高，當然也會帶來難以解決的新問題。

碳納米管的橫空出世讓晶片迎來了一位潛力無窮的選手。在製備高性能電晶體方面，它具有超高的電子和空穴遷移率、原子尺度的厚度、以及穩定的結構 導熱性好等優勢。

目前碳基集成電路生產兼容傳統的矽基集成電路生產設備，且因碳納米管的特性，工藝流程上更加簡潔。

更好的前景，更優良的性能，可以利用現有設備，讓碳基晶片超越矽基晶片成了理所當然的事，當然這是未來，現在這一切還未發生。

碳基晶片示意圖

擺在碳基晶片面前還有幾個難題，解題方法有了，是慢工出細活的笨辦法。

第一個難點是碳納米管本身的製造，做碳基晶片的本質是把導電或絕緣的「雜質」往碳納米管裡鑲嵌，這就需要碳納米管有極高的純度，這就需要在生產工藝和工程創造能力上下功夫，把現有的純度從99.9999%（「6個9」）（實驗室非量產）提高到「8個9」「9個9」，目標是明確的，但是實現需要時間。（自然界中矽脫氧後的純度就非常高了——大自然的禮物）

其次，還是在生產工藝和工程創造能力上，鑲嵌碳納米管是納米級的精密操作，這樣碳基晶片的製備需用現有設備還是脫不開光刻機，蝕刻機，浸潤膠 紫外光源、高精密光學系統。。。。。。尤其是對於我國還是受人限制（蝕刻機中微世界頂級，但其它差遠了）

綜合現有信息，碳基晶片的設計與製造慢於矽基晶片，基礎技術的進步總是緩慢的。

歐美國家從未放緩研發碳基晶片，我們取得的階段性成果並未遙遙領先全世界，希望中國在工程能力上的巨大優勢能夠幫助碳基晶片早日突破，讓先進的科研成果儘快轉化成生產力。最終能在高新技術領域形成自己的產業鏈。