遭遇斷供
華為被美國斷供，最可怕的地方就是買不到高端晶片了。正常情況下華為已經是全球通訊產業老大，手機製造老二，登頂第一也就是一兩年的事。如果沒有晶片，所有高端電子產品都做不出來，企業現在面對的不是登頂世界第一問題，而是生存問題。
華為麒麟晶片
晶片製造不僅對華為重要，對整個高科技產業都是至關重要的，所有的技術最終都需要靠晶片來實現。我們國家在晶片製造上離領先水平還有不少差距，2019年我國進口產品最多的就是晶片，總價值達到了驚人的3000億美元，甚至超過了我們一直最缺的東西 - 石油。
不僅對華為，歐美國家通過瓦森納協議對我國高科技產業進行封鎖，導致我們買不到最先進的製造設備。我們現在面臨的困境是既不能生產，也不能進口。整個產業鏈的多個關鍵環節都被控制在歐美國家手中，研發要想全面突破還需要很多年。
當然其中最重要的就是生產晶片的光刻機，目前最先進的就是荷蘭阿斯麥（ASML）的極紫外（EUV）光刻機，這臺光刻機是全世界獨一份，高端市場份額100%。華為想找代工廠用極紫外光刻機加工晶片，不行，中芯國際訂購一臺，對不起，不批准。
阿斯麥（ASML）極紫外（EUV）光刻機
那麼有沒有可能突破封鎖，來一次彎道超車？
光刻機，可能短時間無法突破，國產現狀是上海微電子裝備將於2021-2022年交付28納米光刻機。距離最先進的製程還有3-4代差距。一些實驗項目能夠實現10納米以內的線寬，但是離完整的設備還有很遠的差距。
上海微電子裝備的90納米光刻機
最近一個令人振奮的消息就是，中國科學院院士、北京大學電子學系主任彭練矛教授和北京大學電子學系張志勇教授團隊發展了全新的提純和自組裝方法，製備出了高密度高純半導體陣列碳納米管材料，並在此基礎上實現了電晶體和電路。這一成果，將為碳基半導體進入規模工業化奠定基礎，也為我國晶片製造產業實現「彎道超車」提供巨大潛力。
彭練矛教授和張志勇教授團隊在Nature發文
正式的新聞稿提到了「彎道超車」，這到底意味著什麼。
矽基晶片
我們首先看一下矽晶片是怎麼回事。矽晶片簡單說就是在矽片上製造出大量電晶體，目前最先進的晶片能夠集成上百億的電晶體。電晶體有兩種類型，電子型和空穴型，向矽中摻雜不同的離子就可以製造出這兩種電晶體。
光刻機的作用就像是雕刻一樣，用光在矽片上雕刻出製造電晶體的源極、漏極和柵極，再用離子注入機給這些電極摻雜，就得到了電晶體。
進入21世紀以來，傳統矽基晶片的發展速度日益緩慢，電晶體的特徵尺寸 - 就是我們常說的14納米、10納米、7納米等等 - 越來越小。到7納米以下，已經無限接近矽基晶片的物理極限了，電極間漏電越來越嚴重，同一塊晶片上的不同電晶體之間的穩定性越來越差，研發投入越來越高。
一方面是技術封鎖，另一方面矽基半導體發展越來越慢，如果找到其他的製造方法，現在剛好是一個超車的好時機。科學家一直希望找到尋找能夠替代矽的晶片材料，其中石墨烯和碳納米管就是最有前景的方向之一。這兩種東西都是純碳，所以我們把以石墨烯或碳納米管為基礎的晶片叫做碳基晶片。
碳基晶片有什麼優勢，它能解決什麼問題？
理想情況下，碳納米管中電子平均自由程可以達到幾微米，由於電子器件長度最多也就幾百納米，在這個範圍內電子幾乎可以不受阻礙地移動。
碳納米管
通過控制碳納米管的結構，可以得到金屬管和半導體管。
典型的金屬性碳納米管在室溫下電阻率為10^-8歐姆·米，性能優於最好的金屬導體（銀：1.59×10^-8歐姆·米）。
碳納米管特殊的幾何結構，決定了表面以及結構的缺陷對電子傳輸幾乎沒影響，而矽半導體必須要人為製造缺陷而且缺陷的影響是極大的。室溫下，碳納米管中電子和空穴的載流子遷移率，是最好的矽基半導體材料的1000倍。載流子遷移率越大，說明它移動效率越高，那麼就可以把功耗做的越小，碳納米管能夠大大降低晶片的功耗。
碳納米管器件不僅具有優異的電性能，其導熱係數也達到了6000瓦/米·開爾文，遠遠優於最好的熱導體，比如20℃時銅的導熱係數是381瓦/米·開爾文。
另外，碳納米管器件還能承受極高的電流上限，有非常好的高頻響應。
總之，碳納米管的主要優勢在於它擁有完美的結構、超薄的導電通道、極高的載流子遷移率和穩定性，一旦製成晶片，性能將優於所有已知的其他半導體材料。
矽要實現電子型和空穴型半導體，就需要對矽進行摻雜，在矽晶片生產用到離子注入機就是做這個的。而用碳納米管則不需要，採用金屬鉛作為接觸電極，半導體為空穴型；採用金屬或者作為接觸電極，半導體為電子型。
因此，通過化學摻雜來控制材料電學性質，具體說就是用光刻機刻蝕出電極形狀，然後再用離子注入機摻雜，這是傳統半導體工藝中最關鍵也是最複雜的步驟，被碳基半導體徹底拋棄了。採用「無摻雜」方式不僅能夠實現高性能的電子器件，而且能夠減少一半的生產流程。
碳納米管電晶體
2017年1月，彭練矛團隊研製出高性能5納米柵長碳納米管CMOS器件，這是世界上目前能做出的最小的高性能電晶體，綜合性能領先目前最好的矽基電晶體十倍，接近了理論極限。其工作頻率是英特爾最先進的14納米商用矽電晶體的3倍，能耗卻只有的1/4。
5納米柵長碳納米管電晶體
功耗也是目前矽基集成電路發展瓶頸之一，彭練矛團隊進一步提出並製備了一種新型超低功耗電晶體 - 狄拉克源電晶體，可大幅降低電晶體的驅動電壓，這很有可能成為3納米及以下技術節點的解決方案。
狄拉克源電晶體
碳基晶片
電晶體做出來了，下一步就是在基板上規模化製造了。當然還面臨許多的挑戰。比如說需要解決的是半導體碳納米管的純度控制，以及碳納米管陣列的有規則排列和密度控制。
製造出半導體特性的碳納米管是一個重要挑戰。碳納米管相當於把石墨烯捲成筒狀，根據對齊的方式不同，碳納米管就會表現出不同的特性，有些是金屬性質的，有些是半導體性質的。但是如果要做晶片，我們希望碳納米管全部是半導體性質的。
不同形式的碳納米管
彭練矛院士的方法是從現有的碳納米管中篩選出具有半導體特性的來。
首先從市場上購買的碳納米管開始，這些碳納米管即包含金屬性質的也包含半導體性質的，把它們放置在甲苯中，溶液中添加一種特殊的聚合物，聚合物會包裹著碳納米管。然後把溶液放入離心機進行離心操作，這樣可以對碳納米管進行篩選，重複兩次以上就可以獲得99.9999％以上的半導體碳納米管。其他的方法目前只能達到的99.99％，新方法把純度提高了兩個數量級。
張志勇教授介紹說，對於極大規模的高端集成電路來說，還需要把純度再提升2-3個數量級。而多次重複離心操作，可以進一步提升純度。當然也需要解決一些輔助工藝問題。
下一步需要把碳納米管按照設計要求精確的排列好。
研究人員在矽片表面塗上一層聚合物薄層，再把矽片浸入碳納米管溶液中。碳納米管的聚合物塗層遇到矽片的聚合物塗層，兩者之間形成氫鍵，這就好像是碳納米管按特定順序「粘」在矽片上。然後再把矽片從溶液中緩慢拉出，碳納米管就會一根接著一根的沿著水平方向自動平行排列。
碳納米管密排工藝
最終，團隊在10釐米基底上製備了密度高達120排/微米、半導體純度99.99995%、直徑分布1.45±0.23納米的碳納米管平行陣列。實際上在實驗室中已經可以在直徑20釐米的矽片上做到了。
密度達到100-200/微米、半導體純度超過99.9999%的碳納米管平行陣列
研究人員現在已經可以在基板上批量製備100納米柵長的碳基場效應電晶體和五階環形振蕩器電路，成品率超過了50%，最高振蕩頻率達到8.06GHz，且首次超越相似尺寸的矽基器件和電路。
碳納米管高速集成電路
北京大學團體已經建立了一條10釐米晶圓的生產線，可以說是在規模化生產上邁出了非常重要的第一步。團隊的下一個目標，是在2-3年內完成90納米碳基晶片工藝開發，性能上相當於28納米矽基器件。雖然不是高端技術水平，但已經達到進入市場的門檻。再往後，採用28納米工藝的碳基晶片則可以實現等同於7納米技術節點的矽基晶片，這基本相當於目前市場上最高製程水平的晶片。
來自美國的競爭
國外目前也在努力研究，6月1日，麻省理工學院（MIT）展示了在200毫米的標準晶圓上批量製造的碳納米管場效應電晶體。這個技術略有不同，它是通過沉積法讓碳納米管邊對邊地在晶圓上生長，製成了14400×14400的場效應電晶體陣列。
MIT的研究成果
MIT團隊在兩個不同的工廠成功地測試了這種新方法，分別是 Analog Devices（ADI）和SkyWater Technology的半導體代工廠。這兩家工廠都是純粹的矽基半導體加工廠。SkyWater工廠的常規製程是130、90和65納米，還是比較落後的。
SkyWater工廠
這次MIT的研究僅僅是製造工藝的演示，而且電晶體的柵極長度（即製程）為130納米，碳納米管生長工藝也只實現了45排/微米。
但是，有一點非常重要，MIT的這次嘗試證實了碳基晶片可以在傳統的矽基晶片加工廠生產，這簡化了許多步驟，而且對於工藝製程要求很低。
規模化生產，即使是某些工藝用到光刻機，也不需要最先進的極紫外光刻機，達到目前頂級水平28納米光刻機基本夠用。有消息說國產正在研發的光刻機即將達到11納米的水平，光刻機的難題很可能通過碳基晶片繞過去。
而且，這個說法實際上非常保守，前面提到的SkyWater，正全力轉向碳基晶片，他們宣稱使用90納米製程能夠達到7納米矽基晶片性能，具有50倍的速度優勢。雖然技術比我們落後，但是畫餅水平還是很強大的。
彭練矛院士團隊的成果目前有2年的領先優勢，美國人一時半會還是追不上的。
實驗室技術已經在原理、材料、小規模生產上實現了突破。目前最缺的，就是需要晶片加工廠的合作，在真正的大規模生產工藝上進行突破和優化。
如果一切順利，3-5年實現28納米製程，5~10年實現10納米製程，那個時候有沒有荷蘭光刻機都不重要了，我們將有機會站在世界之巔。