當摩爾定律逼近物理極限，矽晶片製程工藝的天花板觸手可及，集成電路產業將走向何方？
這是全球從業者亟待思考和做出決策的問題，同時也是大國科技競賽的重要砝碼，誰率先找到另闢蹊徑的新方向，便意味著獲得「彎道超車」賽道的門票。
傳統晶片玩家試圖通過軟體和算法尋求出路，一些研究者則在材料源頭進行創新。
在「替代矽」新材料的冗長候選名單中，碳納米管憑藉與矽同屬族元素，具備多種相似性質基礎，並且較前者具備更好的工藝兼容性，成為發展下一代電晶體集成電路的最理想材料。
當然，在這個最具希望的集成電路前沿賽道上，中美兩國同樣在進行著意味深長的競賽與角逐。
中國基於矽基CMOS技術的傳統晶片產業一直處於被西方「卡脖子」的相對落後的境地。那麼在矽以外的新材料集成電路領域，中國的勝算幾何，布局多少？
撰文 | 吳昕、力琴
編輯 | 四月
一 中美集成電路的前沿焦點
近日，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-彭練矛教授課題組提出針對「碳納米管」的全新的提純和自組裝方法。
製備出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，解決了長期困擾碳基半導體材料製備的瓶頸，如材料的純度、密度與面積問題，成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。北京大學電子系教授、中國科學院院士彭練矛表示，用碳管制成的晶片，有望使用在手機和5G微基站中。
更廣泛地，碳基技術可應用於國防科技、衛星導航、氣象監測、人工智慧、醫療器械等多重領域。
5月22日,相關研究成果在線發表於《Science》（第368卷6493期850～856頁），以《用於高性能電子學的高密度半導體碳納米管平行陣列》（Aligned, high-densitysemiconducting carbon nanotube arrays for high-performance electronics）為題。
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。
緊隨其後，來自麻省理工學院的研究則進一步放大了碳納米管在工業場景的商業化潛力。
6月1日，麻省理工學院電氣工程和計算機科學助理教授Max Shulaker團隊展示了如何在200毫米的標準晶圓上批量製造碳納米管場效應電晶體(CNFETs)，其成果以《工業矽生產設備中碳納米管場效應電晶體的製備》（Fabrication of carbon nanotube field-effect transistors in commercial silicon manufacturing facilities）為題發表在《Nature》子刊《Nature Electronics》雜誌上。
在商用矽代工廠內整合碳納米管場效應電晶體
他們在基於製造CNFET沉積技術的改進，與傳統方法相比，將製造進程加快了1100多倍，同時也降低了生產成本。該技術將碳納米管邊對邊地沉積在晶圓上，14400×14400的陣列CFNET分布在多個晶圓上。
目前，該團隊在兩個不同的工廠成功地測試了這種新方法，包括 Analog Devices公司經營的商業矽製造工廠和SkyWater Technology公司經營的大批量半導體代工廠。
二 碳基材料的核心難題被中國團隊攻克
現代信息技術的基石是集成電路晶片, 而構成集成電路晶片的器件中90%是源於矽基 CMOS技術。
經過幾十年的發展，基於碳基的集成電路技術即將進入2-3nm技術節點，摩爾定律即將逼近物理極限的聲音也成為業界主流, 後摩爾時代的納電子科學與技術的研究變得日趨急迫，非矽基納電子技術的發展將可能從根本上影響到未來晶片和相關產業的發展。
在若干可能的矽基替代技術中, 碳納米管技術目前已被眾多學者和包括 IBM 在內的大公司認為是最有可能成功的技術。碳納米管可作為製備碳基半導體的材料，這是一種以碳基納米材料為基礎發展而來的導電材料。
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。
相較以往的製造工藝，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。
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。
中國科學院院士北京大學教授彭練矛。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。被譽為是國產碳晶片發展的領軍人。
北大張志勇教授-彭練矛教授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，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，從而達到超大規模碳管集成電路的需求。
大規模集成電路對碳管材料的要求：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（>99.9999%）、順排、高密度（100～200 /μm）、大面積均勻的碳納米管陣列薄膜。
課題組從市售的碳納米管開始，將其置於甲苯溶劑中，並在其中加入聚合物，然後將其放入離心機中對包覆的納米管進行分選。再重複該過程兩次，進一步對它們進行分選，結果得到99.9999%的納米管溶液，比之前採用的方法達到的99.99%有所改進。研究人員表示，通過多次重複該過程，可以進一步提高納米管的選擇率。
高密度、高純度半導體碳管陣列的製備和表徵
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。
高性能碳管電晶體
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。
碳管高速集成電路
據彭練矛團隊介紹，碳納米管作為一種新型納米半導體材料，在物理、電子、化學和機械方面，具備特殊優勢。早在2018年，他們就利用碳納米管網絡薄膜作為材料，在超薄柔性襯底上製備出高性能的CMOS電子器件，並成功地將傳感集成系統應用於人體信息監測。
彭練矛和張志勇所在的北京碳基集成電路研究院在接受媒體採訪時表示，碳基技術有著比矽基技術更優的性能和更低的功耗，性能功耗綜合優勢在5到10倍，這意味著碳基晶片性能比相同技術節點的矽基晶片領先三代以上。
比如，採用90納米工藝的碳基晶片有望製備出性能和集成度相當於28納米技術節點的矽基晶片；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。
「我們的碳基半導體研究是代表世界領先水平的。」彭練矛在接受採訪時表示。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。
三 碳納米管從美國實驗室走向工業場景
矽電晶體尺寸的不斷縮小，推動著電子技術的進步。當摩爾定律走到盡頭，矽電晶體縮小變得越來越困難。
以半導體碳納米管為基礎的電晶體，作為先進微電子器件中矽電晶體的替代品，與金屬氧化物半導體場效應管（MOSFET）類似，它成為構建下一代計算機的基本單元。
當然，儘管碳納米管場效應電晶體（CNFET）比矽場效應電晶體更節能，但它們目前仍大多存在於實驗室當中。現在，麻省理工學院Shulaker研究團隊通過對標準納米管沉積溶液工藝進行優化，將少量的納米管溶液沉積在晶圓上，顯著提高了吞吐量，加快了沉積過程的速度超過1,100倍，同時降低了成本。
這使他們能夠在商業矽製造廠和大批量半導體代工中製造碳納米管場效應電晶體。
Max M. Shulaker是2013年第一臺碳納米管計算機研究成果第一作者；於2016年加入MIT擔任助理教授，繼續開展碳納米管相關的研究。
目前，將碳納米從實驗室轉移到工業場景面臨的核心挑戰在於：所有用於製造碳納米管場效應電晶體的材料和工藝必須滿足矽基商業製造設施的嚴格的兼容性要求，更深層次的挑戰還在於，如何在工業標準基板尺寸（200mm直徑的晶圓及以上）上均勻地沉積碳納米。
要實現這種碳納米沉積技術必須滿足三個條件：
一是在保證規模化生產的同時，最大限度地降低成本；
二是要能夠利用現有設備，不引入禁止的化學汙染物或微粒；
三是要實現比同等尺寸矽基更強的性能。
在實驗室中構建CFNET的最有效的方法之一是納米管沉積方法，即將晶圓浸泡在納米管液中，直到納米管粘在晶圓表面。
碳納米管場效應電晶體(CNFETs)的性能在很大程度上是由沉積工藝決定的，它影響著晶圓表面碳納米管的數量和方向。"它們 "要麼以隨機的方向粘在晶圓上，要麼全部排列在同一方向。
這種沉積方法雖然對工業界來說很實用，但根本無法使納米管對齊。通過對沉積過程的仔細觀察，研究人員發現乾式循環，一種間歇性地乾燥浸泡晶圓的方法，可以將沉積時間從48小時大幅縮短到150秒。
通過ACE方法培養提高碳納米管沉積的方法。
於是，他們提出了ACE（通過蒸發人工濃縮），將少量的納米管溶液沉積在晶圓上，而不是將晶圓浸泡在槽中。溶液的緩慢蒸發增加了碳納米管的濃度和沉積在晶圓上的納米管的總體密度。
目前，研究人員與商業矽製造廠Analog Devices和半導體代工廠SkyWater Technology合作，使用改進後的方法製造出了CNFET。他們能夠使用這兩家工廠製造矽基晶圓所使用的相同設備，同時也確保了納米管溶液符合這兩家工廠對化學和汙染物的嚴格要求。
值得注意的是，該研究產出的並非傳統意義上的計算機晶片，僅是製造工藝的演示，而且電晶體的柵極長度（即製程）為130nm，相當於2001年代的晶片工藝。新工藝也只實現了45個納米管/微米，這仍然明顯低於之前研究人員預測的200個的最佳密度。
不過，研究人員還對納米管的密度與能效關係進行了分析：即使在較低的密度下，節省的成本也會很可觀。即使納米管密度為25，也會帶來2.5倍的能效提升。
雖然要將這一突破轉化為一個實用晶片技術還有很長的路要走，但它是朝著高性能納米管計算的未來邁出的重要一步，可能成為摩爾定律之後下一個最為重要的「武器」。