碳基半導體、彎道超車與楚王失弓

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導讀

大格局的看法是，這是全人類的重要進展。所謂中國芯的說法，聽著似乎是別人已經有了，然後有人來填補國內空白，這就拉低了自己的層次。

大家都知道，當代的信息技術是建立在矽（Si）材料上的。所以很多人腦洞大開地設想將來會出現「矽基生命」，也就是有自我意識的機器人，或者人把意識上傳到網絡。或許，高等級的外星文明已經是矽基生命了。

終結者

跟矽基生命相對，地球上現有的以碳（C）元素為基礎的生命就被稱為「碳基生命」，包括人類在內。所以經常見到這樣玩笑的說法：在矽基生命看來，你們這些碳基生命都是渣渣！

碳基生命

然而，矽基真的比碳基高級嗎？其實完全不見得。現在一個很重要的研究方向，就是基於碳材料的信息技術。

最近，北京大學彭練矛院士和張志勇教授等人的研究組，在頂尖學術期刊《科學》（Science）上發表了一篇論文（https://science.sciencemag.org/content/368/6493/850.full），就是這個領域的重要成果。許多媒體報導，這有望為碳基半導體進入規模工業化奠定基礎，也為我國晶片業彎道超車提供巨大潛力（為「中國芯」彎道超車加速！北大研究團隊突破碳基半導體製備瓶頸）。

彭練矛與張志勇等人在Science的論文

我來向大家解讀一下這項工作。

歷史上，半導體材料的變遷其實已經發生過一次了，就是從鍺（Ge）到矽（Si）。1947年，貝爾實驗室的巴丁（John Bardeen，1908 - 1991）和布拉頓（Walter Houser Brattain，1902 - 1987）發明了電晶體，當時他們用的就是鍺。在半導體產業的最初幾年，大家用的都是鍺。

世界上第一支電晶體與電晶體的三位發明人（左：巴丁，中：肖克利，右：布拉頓）

但有些人敏銳地看到，矽的前景比鍺廣闊得多。鍺在地殼中的含量在百萬分之一的量級，而且是地殼中最分散的元素之一，沒有可供工業開採的礦石，只能從其他礦物的處理中回收。而矽佔地殼質量的26.4%，隨便抓一把沙子就是二氧化矽。鍺難以提煉到很高的純度，而提純矽要容易得多。鍺半導體的熱穩定性也不如矽。

元素周期表，注意C、Si、Ge都在第四主族

所以到了六十年代，主流已經完全變成了矽，早期的鍺電晶體、鍺集成電路都進了博物館。鍺半導體並沒有完全被淘汰，但只用在極少數地方，如高頻大功率器件。

圖左為基爾比與他的鍺基集成電路，圖右為諾伊斯與他的矽基集成電路

現在大家聽到的28納米、14納米、7納米之類的數據，指的就是在矽材料上一個電晶體的特徵尺度。1納米等於10的-9次方米，一根頭髮絲的直徑就有幾萬納米。在一根頭髮的寬度就能放下幾千個電晶體，這是多麼了不起的技術！

但是，當人們繼續往下走，就快hold不住了。電晶體之間離得太近，就會漏電，導致無法使用，這是物理規律決定的。

怎麼辦呢？

一條路是修修補補，改變電晶體的構型之類，想盡一切辦法給矽材料續命。

從平面場效應管到FinFET再到GAAFET的演變

另一條路是從底層開始革命，把矽材料換掉。

以前既然可以從鍺換成矽，現在當然也可以換成其他材料，用矽並不是天經地義的。換成什麼呢？最有希望的選擇之一就是碳納米管（carbon nanotube），還有一種值得考慮的是石墨烯（graphene）。兩者都是碳材料，所以統稱碳基半導體。

學過初中化學的，都知道石墨的結構，它是由一層層的平面堆疊而成的。石墨的一個單層，就是石墨烯，其中每一個碳原子周圍連著三個碳原子。石墨烯好比一張紙，石墨好比很多張紙摞起來。拿著一張紙，你還可以把它捲成一個管子，這就是碳納米管，簡稱碳管。你看，這些碳材料的結構都很容易理解。

四種碳材料：石墨烯、石墨、碳納米管與富勒烯

在原理上，碳納米管跟矽相比，電晶體的功耗更小，效率更高，所以被公認為下一代集成電路的理想材料。但這只是理論上限，真要實現這樣的潛力，有很多先決條件。

碳納米管電晶體具有超越矽的潛力

首先，這些管子不能橫七豎八躺一地，而是要順著同一方向排列起來。一家人，最重要是齊齊整整！

一家人最要緊是齊齊整整

然後，管子的密度要足夠高，稀稀拉拉排幾根是沒用的。要達到好的性能，需要在1微米裡放下100至200根碳納米管。

這兩個條件都很容易理解，還有一個條件比較高端，就是要達到很高的半導體純度。這話是什麼意思呢？

我們需要注意到，把一張紙捲成一個管子，有很多種卷法。可以粗，也可以細。可以平著卷，也可以斜著卷。不同的卷法，得到的碳納米管性質是不一樣的。其中有些是半導體，有些是導體，或者說是金屬。

碳納米管的不同卷法

半導體是我們需要的，而導體是有害的。要達到好的性能，導體管子的比例要在百萬分之一以下，也就是說半導體管子的比例要達到99.9999%，小數點後4個9。這就是所謂半導體純度的要求。

論文圖1，左邊是碳納米管電晶體的示意圖，右邊縱軸是金屬性碳納米管比例，橫軸是碳納米管密度，注意這項工作第一次落在了金屬性碳納米管比例小於百萬分之一、碳納米管密度在100至200根每微米的有用範圍內

在此之前，順排、高密度和高純度這三個要求，沒有能同時做到的。有些實驗能實現高密度，但沒有高純度。有些實驗是有了高純度，而沒有高密度。所以，碳納米管電晶體的性能，總是比矽差至少一個量級。

在此之前，碳納米管電晶體的性能總是比矽差至少一個量級

知道了這些背景，彭練矛和張志勇等人的新成果就容易理解了。他們提出了一種新的製備方法，第一次把這三個條件同時實現了。從而有史以來第一次，造出了性能超越矽的碳納米管電晶體。

Science雜誌對這項工作的介紹（https://science.sciencemag.org/content/368/6493/twis）

如果你想了解細節，那麼可以稍微解釋一下。他們的製備方法是，先用多次的聚合物分散和提純，得到超高純度的碳管溶液，然後對這個溶液用維度限制自排列（dimension-limited self-alignment，簡稱DLSA）。最終在4英寸的基底上，製備出了密度在100至200根每微米範圍內可調、半導體純度高達99.9999%、直徑在1.45 ± 0.23 納米範圍內的碳管陣列。經過實測，性能確實超過了相同尺寸的矽電晶體。

論文圖2，順排碳納米管陣列的製備與表徵

這是一個裡程碑式的成就，正如北大官方的微信文章評論的（為「中國芯」彎道超車加速！北大研究團隊突破碳基半導體製備瓶頸），將為碳基半導體進入規模工業化奠定基礎。

不過，這種方法目前還不能工業化。他們必須用到一種叫做「離子液體柵極」（ionic liquid gate）的部件，才能使碳納米管電晶體的性能超過矽，而離子液體柵極目前是不能大規模製備的。所以，在工業化的路上還有許多障礙要克服。好消息在於，這些障礙越來越少了，而且第一次顯露出了超越矽的曙光。

論文圖4，使用離子液體柵極後，碳納米管電晶體超越了矽

離子液體柵極不適合大規模集成

最後，有一點值得討論的是，媒體在報導這項成就時，往往用「中國芯」這樣的詞，例如深科技的文章（北大教授突破碳基半導體技術，在《科學》發表三篇論文！「中國芯」夢想更進一步）。

北大教授突破碳基半導體技術，在《科學》發表三篇論文！「中國芯」夢想更進一步

就連北大自己的宣傳，都用這樣的標題（為「中國芯」彎道超車加速！北大研究團隊突破碳基半導體製備瓶頸）。

為「中國芯」彎道超車加速！北大研究團隊突破碳基半導體製備瓶頸

這其實格局有點小了。大格局的看法是，這是全人類的重要進展。所謂中國芯的說法，聽著似乎是別人已經有了，然後有人來填補國內空白，這就拉低了自己的層次。

《孔子家語》裡有一個故事：楚王出遊的時候，丟失了一張弓。左右要去找弓，楚王說：「不用了。楚王失弓，楚人得之，又何求之！」

《孔子家語》

你覺得楚王的胸懷很開闊嗎？然而孔子聽到，卻說：「可惜楚王的胸懷不夠大啊！為什麼不說人失弓，人得之，就夠了呢？何必一定要楚人呢？」

楚王失弓

（http://www.quanxue.cn/CT_RuJia/KongZiJY/KongZiJY10.html）

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背景簡介：本文作者袁嵐峰，中國科學技術大學化學博士，中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家研究中心副研究員，科技與戰略風雲學會會長，「科技袁人」節目主講人，安徽省科學技術協會常務委員，入選「典贊·2018科普中國」十大科學傳播人物，微博@中科大胡不歸，知乎@袁嵐峰（https://www.zhihu.com/people/yuan-lan-feng-8）。

責任編輯：孫遠