步入21世紀以來，傳統矽基晶片的發展速度日益緩慢，科學家們一直試圖尋找能夠替代矽的晶片材料，碳納米管就是最具前景的方向之一。然而，製造出符合要求的碳納米管材料，一直是碳管電子學領域所面臨的最大的技術挑戰。
針對這一亟待解決的關鍵問題，北京大學信息科學技術學院電子學系/北京大學碳基電子學研究中心、納米器件物理與化學教育部重點實驗室張志勇教授-彭練矛教授課題組發展全新的提純和自組裝方法，製備高密度高純半導體陣列碳納米管材料，並在此基礎上首次實現了性能超越同等柵長矽基CMOS技術的電晶體和電路，展現出碳管電子學的優勢。
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。
Science官網論文截圖
相關研究成果以《用於高性能電子學的高密度半導體碳納米管平行陣列》為題，2020年5月22日在線發表於《科學》（Science，第368卷6493期850～856頁）；電子學系2015級博士研究生劉力俊和北京元芯碳基集成電路研究院工程師韓傑為並列第一作者，張志勇和彭練矛為共同通訊作者。如果把晶片比作一棟房子，電晶體就是建房的磚頭，一棟棟的房子就構成了我們的信息社會。
提到製造電晶體這塊「磚頭」的材料，很多人都會給出「矽」這個答案。然而，近十年來，半導體上電晶體數目增速明顯放緩，摩爾定律日漸式微，當下的矽基晶片技術，即將碰觸物理極限。
地球上普遍存在的碳元素，與矽同屬一族，它們之間具有很多相似的性質。碳基半導體具有成本更低、功耗更小、效率更高的優勢，更適合在不同領域的應用而成為更好的半導體材料選項。碳納米管由此成為取代矽材料、發展下一代電晶體集成電路的最理想材料。
然而，碳納米管集成電路批量化製備的前提是實現超高半導體純度、順排、高密度、大面積均勻的碳納米管陣列薄膜。對於以往的製造工藝，這樣的生產要求是難以達到的，材料問題的制約導致碳管電晶體和集成電路的實際性能遠低於理論預期，成為碳管電子學領域所面臨的最大的技術挑戰。
多年來，由於研究周期長、成果轉化不確定以及礙於投資人壓力，國外廠商均未能在碳管技術方面有所建樹。製備出首個超越相似尺寸的矽基CMOS的器件和電路，一直都是基礎製備材料領域的夢想。
北大科研團隊在《科學》雜誌發表的成果，標誌著碳管電子學領域、以及碳基半導體工業化的共同難題被攻克。科研團隊表示，如果碳基信息器件技術，可以充分利用碳管在物理、電子、化學和機械方面的特殊優勢，就有希望生產出性能優、功耗低的晶片。
課題組採用多次聚合物分散和提純技術得到超高純度碳管溶液，並結合維度限制自排列法，在4英寸基底上製備出密度為120 /μm、半導體純度高達99.9999%、直徑分布在1.45±0.23 nm的碳管陣列，從而達到超大規模碳管集成電路的需求。
基於這種材料，批量製備出場效應電晶體和環形振蕩器電路，100nm柵長碳管電晶體的峰值跨導和飽和電流分別達到0.9mS/μm和1.3mA/μm（VDD=1 V），室溫下亞閾值擺幅為90mV/DEC。
批量製備出五階環形振蕩器電路，成品率超過50%，最高振蕩頻率8.06GHz遠超已發表的基於納米材料的電路，且超越相似尺寸的矽基CMOS器件和電路。
上述研究得到國家重點研發計劃「納米科技」重點專項、北京市科技計劃、國家自然科學基金等資助。湘潭大學湖南省先進傳感與信息技術創新研究院、浙江大學、北京大學納光電子前沿科學中心等單位研究人員參與合作。
目前，晶片絕大部分採用矽基材料的集成電路技術製成，該項技術被國外廠家長期壟斷。採用矽以外的材料做集成電路，一直是國外半導體前沿的技術。碳基技術也是西方發達國家一直研發預備替代矽基的新技術。
從2000年起，彭練矛已在碳基納米電子學領域堅守了近20年，帶領研究團隊探究用碳納米管材料製備集成電路的方法，一路披荊斬棘。
2018年5月2日，中共中央總書記、國家主席、中央軍委主席習近平來到北京大學考察。彭練矛在北京大學金光生命科學大樓一層大廳向習近平介紹「領先世界的碳晶片技術」。
2017年1月，彭練矛率團隊研製出高性能5nm（納米）柵長碳納米管CMOS器件，這是世界上迄今最小的高性能電晶體，綜合性能比目前最好的矽基電晶體領先十倍，接近了理論極限。其工作速度3倍於英特爾最先進的14nm商用矽材料電晶體，能耗卻只有矽材料電晶體的1/4，相關成果發表於《科學》。
而後，2018年6月，研究團隊提出超低功耗的狄拉克源場效應電晶體，發表在《科學》上。同年，用高性能的電晶體製備出集成電路，不僅躋身與史丹福大學、麻省理工學院等研究機構同步的國際領跑行列，而且在最關鍵的核心技術上是世界領先的。
「我們的碳基半導體研究是代表世界領先水平的。」彭練矛表示。與國外矽基技術製造出來的晶片相比，我國碳基技術製造出來的晶片在處理大數據時不僅速度更快，而且至少節約30%的功耗。
碳基技術在不久的將來可以應用於國防科技、衛星導航、氣象監測、人工智慧、醫療器械等多重領域。未來，碳管這塊新的「磚頭」，將為整個中國的晶片領域發展帶來新的希望，為中國晶片突破西方封鎖、開啟自主創新時代開闢一條嶄新的道路。
來源：北大新聞網、信息科學技術學院、Science官網、DeepTech深科技、受訪者
編輯：馬逸
圖片：北大新聞網、視覺中國、新華社、受訪者