中國碳基半導體材料取得新突破,或將終結矽時代,實現晶片全面領先

近日，北京大學張志勇教授-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。

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，早在2017年的時候，彭練矛率團隊研製出5 nm（納米）柵長碳納米管CMOS器件，其工作速度2倍於英特爾最先進的14 nm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2017年1月發表於《科學》（Science）。

2018年的時候，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。

簡單來說，彭練矛教授研究團隊的這一系列成果就是中國為終結晶片矽時代提供了一種新的可能性方案。

從1959年，英特爾的創始人、矽谷的締造者之一羅伯特·諾伊斯發明矽集成電路之後，世界就進入了矽時代。

如果說集成電路（IC）是信息社會的發動機。現代社會每一個普通人的生活、工作、娛樂，以及每一家公司的生產、經營，都與各種電子產品中的各類晶片牢牢綁定。

毫不誇張的說，哪個國家擁有最全、最高精尖的晶片產業鏈，誰就能擁有絕對的權力，因為它可以通過斷供、限制出口等方式，重創它國的經濟與科技發展空間。

那集成電路的核心就是矽，無論是製造晶片的設備，還是晶片自身的材料等，由矽製造的數十億的電晶體集成在矽片之上，這些電晶體成為了資訊時代流動的血液，形成各種文字、數字、聲音、圖像和色彩，便捷了人類的生活。

可以說，矽（Si）作為集成電路的最基礎材料，是構建整個現代文明社會的磚石，我們的吃穿住行都離不開由矽構建的半導體產業形成的產品，它是人類社會近幾十年快速發展的基石，而作為矽時代的締造者，美國也在晶片產業中具有無可比擬的話語權。

不過隨著摩爾定律逼近極限，矽材料的帶隙較窄、電子遷移率和擊穿電場較低的缺陷也開始慢慢顯現，而且矽在光電子領域和高頻高功率器件方面的應用受到諸多限制，在高頻下工作性能較差，不適用於高壓應用場景，光學性能也得不到突破。

所以科學家一直想要尋找新的材料來替代矽，各個國家都提出了自己的方案，並且投入了很大的資金預研。因為一旦自己的方案真的取代了矽時代，那麼就意味著在新一代全球晶片產業中佔據了核心話語權。

大家想像一下，如果是中國的方案取代了矽時代，那麼一旦新的材料時代到來，晶片將會以新的面貌出現，晶片設計廠商、晶片設備廠商、晶圓加工廠商原有的壟斷格局將徹底打破，那麼美國所擁有的半導體優勢將全部清零。

這些方案包括石墨烯、碳納米管、碳化矽、氮化鎵等，其中無論是石墨烯、還是碳納米管或者碳化矽都是和碳原子有關，所以大部分國家都認為終結矽時代的會是碳時代。

作為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。

而科學界普遍認為碳納米管自身的材料性能遠優於矽材料，碳管電晶體的理論極限運行速度可比矽電晶體快5～10倍，而功耗卻降低到其1/10，因此是極佳的電晶體製備材料，這也是為什麼中國會研究碳納米管的原因。

當然，也不僅僅是中國，美國多個科研團隊也都在研究碳納米管。製備碳納米管電晶體的傳統方式是對碳管材料進行摻雜處理，通過摻雜的雜質控制電晶體的極性和性能。

此時，碳管由於內部充滿雜質，將會失去原本具有運行速度快的優勢，同時還增加電晶體的功耗，相較傳統的矽材料徹底失去競爭力。在技術難題面前，Intel等公司紛紛放棄了碳管電晶體的研製，唯有IBM公司繼續研發，卻也只能研製出合格的P型電晶體。

而我們剛剛提到，在2017年的時候，彭練矛教授研究團隊創造性地研發了一整套高性能碳納米管電晶體的無摻雜製備方法，終於突破了N型碳納米管電晶體製備這一跨世紀難題，首次實現了5 nm柵長的高性能碳管電晶體，性能超越目前最好的矽基電晶體，接近量子力學原理決定的物理極限，有望將CMOS技術推進至3 nm以下技術節點。

碳管CMOS器件與傳統半導體器件的比較（A、基於碳管陣列的場效應電晶體結構示意圖，B～D、碳管CMOS器件與傳統材料電晶體的比較）

但這個時候又面臨一個更大的難題，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。

而這次彭練矛教授的突破就在於碳管電子學領域、以及碳基半導體工業化的共同難題被攻克，製備出首個超越相似尺寸的矽基CMOS的器件和電路，而這也意味著，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。

高密度、高純度半導體碳管陣列的製備和表徵

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。

這也意味著中國在這場終結矽時代的博弈中再也不是觀眾，也拿到了入場券，而且美國同屬於第一梯隊，當然我們也必須承認，美國相較中國領先。

而日韓歐三國則處於第二梯隊，其他國家則只有當觀眾的份，重在參與的資格都沒有。

中國目前除了碳納米管之外，在石墨烯等多個新材料領域都取得了不錯的成績，而且依託於中國龐大的市場需求，容易催生新的產業，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。

中國目前也在大力倡導2025計劃，關注顛覆性新材料對傳統材料的影響。中國在這場博弈中不會和上一次一樣，連參與的機會都沒有，最起碼還是能分得一塊蛋糕的！