中國碳基晶片研究領先全世界！告訴你碳基晶片是怎麼回事

最近一段時間，北京大學研究團隊製作出碳基晶片，性能遠超同規格矽基晶片的報導，引發了國人的熱議。中國可以彎道超車了嗎？再也不用擔心被極紫外光刻機卡脖子了嗎？華為會不會對碳基晶片做戰略投資？

一、背景簡介

這件事情，不能拍拍腦袋就瞎說。為了了解這個事情的真相，我專門下載了北大彭練矛團隊最具代表性的兩篇論文，分別於2017年和2020年發表在美國的頂級期刊科學雜誌上。世界上影響力最大的兩個雜誌分別是英國的《自然》和美國的《科學》。一般發表的都是人類最前沿的科學研究成果。

我們來說說北大的碳基晶片是怎麼回事。大家首先應該冷靜看待這個突破，雖然從性能上已經超過了同規格矽基晶片，但從製作工藝上遠不如矽基晶片成熟。另外從製程上也還遠不如矽基晶片先進。

其實碳基晶片從上世紀就提出來了，並預言會最終代替矽基晶片，但一直到現在還沒有實現。最早，曾經提出在金剛石上摻入雜質製作電晶體，可以實現比矽半導體更優越的性能。往金剛石裡摻入氮元素和硼元素就可以把它變成性能優異的半導體，這是早就證實了的。但由於金剛石製作成本太高，一直也沒有實現工業化。

後來製作出了單層石墨烯和單層碳納米管，成為新的希望。它們相對於金剛石來說不僅成本低很多，而且本身就是良好的半導體。而金剛石本身是絕緣體，需要摻入雜質才能變成半導體。

石墨烯，是這些年研究非常熱門的材料，很多人不知道石墨烯和碳納米管的聯繫和區別。嚴格來說碳納米管也是石墨烯的一種，只是石墨烯是二維平面結構，碳納米管就相當於把石墨烯卷了起來形成了一個管子。單層碳納米管，被稱為一維導電材料。因為沒有橫向的擴散，只能沿軸向傳輸電流，中間的電損耗非常小。相對來說，矽半導體必須考慮橫向擴散問題。另外，碳納米管材料特別細，直徑只有1-3nm，特別適合做小尺寸的電晶體，能做成立體控制結構、也有利於電路控制。還有，這種材料強度高，比鋼鐵還結實，彈性還好，適合做柔性摺疊。同時，碳納米管和石墨烯導熱性能也比矽的導熱性好。

世界上，以美國IBM為首的眾多科研團隊，一直在研究碳納米管晶片技術，也都有一些進展。但北大的科研團隊最早實現5nm級電晶體器件製作，成果發表在2017年。而且最早真正實現了碳基晶片電路性能超過同規格矽基晶片，成果發表在2020年。雖然2020年的晶片是100多納米的，好像比2017年落後很多，但這可是第一次實現碳納米管集成電路啊，2017年的成果只是做出了電晶體，也就是零件，根本還不是電路。

二、碳基半導體基本元器件及其工作原理

碳納米管本身是一種性能優異的半導體，兩端接上金屬，可以產生接界電壓（學界術語應該叫接界電勢，對於普通人來說理解電壓應該更方便一些）。這種接界電壓，讓電流只能單向流過，類似於普通晶片中的半導體電晶體。

為了讓大家理解，我們畫一個示意圖。小球可以在平面上自由滾動，但如果兩端是斜坡，就不那麼容易了。兩邊都是斜坡的話，必須外加一個比較大的力，才能順利通過。現在我們在中間部位上方加一個電場，把中間部分的過道位置抬高，跟兩邊高度差不多，這樣，小球就可以輕鬆穿過去了。還有一種半導體是中間高，兩邊低，這時候就需要加一個排斥力，把中間部位壓低，跟兩邊差不多高，小球就也可以順利通過了。

碳納米管半導體也好，矽半導體也好，都是類似這樣的原理。兩邊一邊叫源級也就是輸入端，一邊叫漏級也就是輸出端，中間加上一個門。門不開，電流不能通過。給門上施加一定的電壓，就可以把門打開，電流可以順利流過。比如N型電晶體，需要在門上加一個正電場，吸引中間p型半導體通道的電子，形成一個N型通道，消除與兩邊接界電壓的影響。而P型電晶體，外加一個反向電壓，形成一個P型通道，消除接界電壓的影響。

碳基電晶體，就是把通道換成了碳納米管。同時，兩端的源和漏，不再是摻雜的矽，而改成特殊金屬，利用金屬和碳納米管之間的接界電壓，製作成半導體電晶體。目前已經成功製成了基於碳納米管的N型電晶體和P型電晶體。其中N型電晶體選擇活潑金屬鈧或釔做源和漏，P型電晶體主要使用惰性金屬鈀做源和漏。有了P型管和N型管，製作集成電路的基本零件就湊齊了。值得一提的是，現在碳納米管的N型電晶體方案，最早也是北大的研究團隊發現的。

矽基晶片為了克服固有缺陷，目前正在向三維立體結構不斷演化，爭取減少尺寸縮小帶來的漏電效應，提高門電路控制效應。而碳基晶片，從一開始就是三維立體的模型，比矽基晶片更容易實現小尺寸電晶體的製造，也更容易實現電路控制。如下圖：

三、碳基晶片製作工藝

了解了基本零件的原理以後，下面就是製造晶片的問題了。之所以這種晶片一直沒有產業化，有很重要的原因是它的工業化生產比矽基晶片更困難。

1.製作高純度碳納米管

第一個難點是碳納米管本身的製造。碳納米管生產方法倒也不少，但要想製作出符合晶片製作要求的碳納米管還是很難的。因為，需要把這種碳納米管提純到99.9999%，這個純度的碳納米管才能保障生產出來的晶片性能穩定，產品參數一致。目前從試劑公司能買到的碳納米管最純的大概能到99.99%，用來生產單個電晶體，搞搞科研是可以的，想生產晶片卻不行。北大晶片研究團隊聯合國內化學科研團隊，最先在高純度碳納米管生產上實現突破。用彭練矛院士的話說，國內集成電路人才相對緊缺，反而材料和化工高手好找！

2.元器件組裝

如果說矽基晶片的製作有點像雕刻塑像的話，碳納米管晶片的第一步更像是往光碟上貼顯微鏡都看不到的瓷磚。瓷磚和瓷磚必須儘量平行，還不能挨著，得留點距離，更不能摞在一起，這個瓷磚就是碳納米管。這是最難的一步，北大團隊的方案很好地解決了這個問題。目前已經可以在八寸晶圓上均勻擺放碳納米管了，可以說領先世界其他團隊。

貼完瓷磚也就是碳納米管以後，要覆蓋上絕緣層，把碳納米管埋起來。接下來的步驟，就該用到光刻機了。要把碳納米管兩端加上金屬電極，就得用光刻機，先刻出加金屬的位置來，然後再把金屬加進去。後面陸續安裝其他零件、導線等，也有一些需要光刻機的步驟。換句話說，即使用碳基晶片，也難以擺脫對光刻機的需求，總不能用手盤它吧！

四、碳基晶片對我國意味著新的機遇

碳基晶片的研發，對於我國來說，確實是個良好的機遇。

首先，這種晶片，一旦製成，要比同規格矽晶片性能優越得多。目前已經可以做到8GHz的主頻了，比主流的高端矽基晶片主頻還高，而且還更省電。北大彭練矛院士說，爭取兩年內實現90nm碳基晶片的量產，其性能相當於28nm的矽基晶片。雖然不算優秀，但至少可以在很多低端場合使用了。如果掌握了量產技術以後，通過改進，按照摩爾定律，一兩年內就可以實現60nm甚至45nm工藝的製造，這應該就可以媲美10nm或7nm矽基晶片了。同時，碳基晶片由於獨特的性能，比矽基晶片更適合做3nm及以下工藝的晶片。

其次，雖然性能先進，但對光刻工藝要求不太高。完全可以使用現有的光刻機，對EUV光刻機的需求並不迫切。至少，還要演進3-5代以後，才需要極紫外光刻機的協助，那是10年左右的時間了。給我國自研極紫外光刻機留下了5-10年的緩衝期。當然，這只是我個人的猜想，具體進度可能因環境和技術的問題，而有出入。

此外，這項技術，如果把基底換成柔性材料，可以製作成可摺疊的柔性晶片，這是矽基晶片難以實現的。在此基礎上，還可以製作成透明的晶片，一旦應用於實踐，科幻版的手機和可穿戴設備就呼之欲出了。

最後，對於華為、中興、中芯國際等企業來說，都想獲得技術優勢，不被對手卡脖子。這樣一項技術的前期投入，回報率是很高的。在科研已經領跑的情況下，工業化生產也必須搶跑，才能在未來有足夠多的話語權。我們跟西方國家交換技術裝備的籌碼也就更多了。

五、光刻機必不可少

至於光刻機，這是現代化工業生產躲不開的核心設備。不是可以輕易規避的，除了可以生產CPU以外，像內存條、存儲卡、固態硬碟這些也都需要用到光刻機。同時，光刻機製造所用到的很多核心部件，如極紫外光源、高精密光學系統（透鏡、反光鏡等），還有高精密操控平臺等設備涉及的技術，在其他行業也有應用，不是可以輕易規避的，必須加緊研發。

我國現在面臨的最大問題，不是研究跟不上，很多領域的研究是緊跟世界前沿甚至引領世界的。但在研究成果轉化成工業生產這個環節上問題最大。除了高端生產設備缺乏以外，很多科研成果難以找到合適的企業進行產業化，也就只能停留在實驗室階段。所以，希望國內的高新技術企業，應該多跟科研單位對接，在一些前沿領域風險投資，提前布局。這也是我說碳基晶片值得華為投資的原因。

最後，希望我們國家能加大力度打通產學研通道，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。

本文主要參考彭練矛團隊發表於科學雜誌的兩篇論文和國內媒體《澎湃新聞》的訪談稿「專訪北大碳基晶片團隊：我們換道走了二十年，覺得能走下去」。本文原理圖系作者自己繪製，請不要自行轉載，謝謝！