近日，北京大學(xué)張志勇教授-彭練矛教授課題組發(fā)展全新的提純和自組裝方法，制備高密度高純半導(dǎo)體陣列碳納米管材料，并在此基礎(chǔ)上首次實(shí)現(xiàn)了性能超越同等柵長(zhǎng)硅基CMOS技術(shù)的晶體管和電路，展現(xiàn)出碳管電子學(xué)的優(yōu)勢(shì)。

從2000年起，彭練矛已在碳基納米電子學(xué)領(lǐng)域堅(jiān)守了近20年，帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)探究用碳納米管材料制備集成電路的方法，早在2017年的時(shí)候，彭練矛率團(tuán)隊(duì)研制出5 nm(納米)柵長(zhǎng)碳納米管CMOS器件，其工作速度2倍于英特爾最先進(jìn)的14 nm商用硅材料晶體管，能耗卻只有硅材料晶體管的1/4，相關(guān)成果2017年1月發(fā)表于《科學(xué)》(Science)。

2018年的時(shí)候，研究團(tuán)隊(duì)提出超低功耗的狄拉克源場(chǎng)效應(yīng)晶體管，發(fā)表在《科學(xué)》上。同年，用高性能的晶體管制備出集成電路。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，彭練矛教授研究團(tuán)隊(duì)的這一系列成果就是中國(guó)為終結(jié)芯片硅時(shí)代提供了一種新的可能性方案。

從1959年，英特爾的創(chuàng)始人、硅谷的締造者之一羅伯特·諾伊斯發(fā)明硅集成電路之后，世界就進(jìn)入了硅時(shí)代。

如果說(shuō)集成電路(IC)是信息社會(huì)的發(fā)動(dòng)機(jī)?，F(xiàn)代社會(huì)每一個(gè)普通人的生活、工作、娛樂(lè)，以及每一家公司的生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)，都與各種電子產(chǎn)品中的各類芯片牢牢綁定。

毫不夸張的說(shuō)，哪個(gè)國(guó)家擁有最全、最高精尖的芯片產(chǎn)業(yè)鏈，誰(shuí)就能擁有絕對(duì)的權(quán)力，因?yàn)樗梢酝ㄟ^(guò)斷供、限制出口等方式，重創(chuàng)它國(guó)的經(jīng)濟(jì)與科技發(fā)展空間。

那集成電路的核心就是硅，無(wú)論是制造芯片的設(shè)備，還是芯片自身的材料等，由硅制造的數(shù)十億的晶體管集成在硅片之上，這些晶體管成為了信息時(shí)代流動(dòng)的血液，形成各種文字、數(shù)字、聲音、圖像和色彩，便捷了人類的生活。

可以說(shuō)，硅(Si)作為集成電路的最基礎(chǔ)材料，是構(gòu)建整個(gè)現(xiàn)代文明社會(huì)的磚石，我們的吃穿住行都離不開(kāi)由硅構(gòu)建的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)形成的產(chǎn)品，它是人類社會(huì)近幾十年快速發(fā)展的基石，而作為硅時(shí)代的締造者，美國(guó)也在芯片產(chǎn)業(yè)中具有無(wú)可比擬的話語(yǔ)權(quán)。

不過(guò)隨著摩爾定律逼近極限，硅材料的帶隙較窄、電子遷移率和擊穿電場(chǎng)較低的缺陷也開(kāi)始慢慢顯現(xiàn)，而且硅在光電子領(lǐng)域和高頻高功率器件方面的應(yīng)用受到諸多限制，在高頻下工作性能較差，不適用于高壓應(yīng)用場(chǎng)景，光學(xué)性能也得不到突破。

所以科學(xué)家一直想要尋找新的材料來(lái)替代硅，各個(gè)國(guó)家都提出了自己的方案，并且投入了很大的資金預(yù)研。因?yàn)橐坏┳约旱姆桨刚娴娜〈斯钑r(shí)代，那么就意味著在新一代全球芯片產(chǎn)業(yè)中占據(jù)了核心話語(yǔ)權(quán)。

大家想象一下，如果是中國(guó)的方案取代了硅時(shí)代，那么一旦新的材料時(shí)代到來(lái)，芯片將會(huì)以新的面貌出現(xiàn)，芯片設(shè)計(jì)廠商、芯片設(shè)備廠商、晶圓加工廠商原有的壟斷格局將徹底打破，那么美國(guó)所擁有的半導(dǎo)體優(yōu)勢(shì)將全部清零。

這些方案包括石墨烯、碳納米管、碳化硅、氮化鎵等，其中無(wú)論是石墨烯、還是碳納米管或者碳化硅都是和碳原子有關(guān)，所以大部分國(guó)家都認(rèn)為終結(jié)硅時(shí)代的會(huì)是碳時(shí)代。

作為地球上普遍存在的碳元素，與硅同屬一族，它們之間具有很多相似的性質(zhì)。碳基半導(dǎo)體具有成本更低、功耗更小、效率更高的優(yōu)勢(shì)，更適合在不同領(lǐng)域的應(yīng)用而成為更好的半導(dǎo)體材料選項(xiàng)。

而科學(xué)界普遍認(rèn)為碳納米管自身的材料性能遠(yuǎn)優(yōu)于硅材料，碳管晶體管的理論極限運(yùn)行速度可比硅晶體管快5～10倍，而功耗卻降低到其1/10，因此是極佳的晶體管制備材料，這也是為什么中國(guó)會(huì)研究碳納米管的原因。

當(dāng)然，也不僅僅是中國(guó)，美國(guó)多個(gè)科研團(tuán)隊(duì)也都在研究碳納米管。制備碳納米管晶體管的傳統(tǒng)方式是對(duì)碳管材料進(jìn)行摻雜處理，通過(guò)摻雜的雜質(zhì)控制晶體管的極性和性能。

此時(shí)，碳管由于內(nèi)部充滿雜質(zhì)，將會(huì)失去原本具有運(yùn)行速度快的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)還增加晶體管的功耗，相較傳統(tǒng)的硅材料徹底失去競(jìng)爭(zhēng)力。在技術(shù)難題面前，Intel等公司紛紛放棄了碳管晶體管的研制，唯有IBM公司繼續(xù)研發(fā)，卻也只能研制出合格的P型晶體管。

而我們剛剛提到，在2017年的時(shí)候，彭練矛教授研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性地研發(fā)了一整套高性能碳納米管晶體管的無(wú)摻雜制備方法，終于突破了N型碳納米管晶體管制備這一跨世紀(jì)難題，首次實(shí)現(xiàn)了5 nm柵長(zhǎng)的高性能碳管晶體管，性能超越目前最好的硅基晶體管，接近量子力學(xué)原理決定的物理極限，有望將CMOS技術(shù)推進(jìn)至3 nm以下技術(shù)節(jié)點(diǎn)。

碳管CMOS器件與傳統(tǒng)半導(dǎo)體器件的比較(A、基于碳管陣列的場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)示意圖，B～D、碳管CMOS器件與傳統(tǒng)材料晶體管的比較)

但這個(gè)時(shí)候又面臨一個(gè)更大的難題，碳納米管集成電路批量化制備的前提是實(shí)現(xiàn)超高半導(dǎo)體純度、順排、高密度、大面積均勻的碳納米管陣列薄膜對(duì)于以往的制造工藝，這樣的生產(chǎn)要求是難以達(dá)到的，材料問(wèn)題的制約導(dǎo)致碳管晶體管和集成電路的實(shí)際性能遠(yuǎn)低于理論預(yù)期，成為碳管電子學(xué)領(lǐng)域所面臨的最大的技術(shù)挑戰(zhàn)。

而這次彭練矛教授的突破就在于碳管電子學(xué)領(lǐng)域、以及碳基半導(dǎo)體工業(yè)化的共同難題被攻克，制備出首個(gè)超越相似尺寸的硅基CMOS的器件和電路，而這也意味著，如果碳基信息器件技術(shù)，可以充分利用碳管在物理、電子、化學(xué)和機(jī)械方面的特殊優(yōu)勢(shì)，就有希望生產(chǎn)出性能優(yōu)、功耗低的芯片。

高密度、高純度半導(dǎo)體碳管陣列的制備和表征

彭練矛表示。與國(guó)外硅基技術(shù)制造出來(lái)的芯片相比，我國(guó)碳基技術(shù)制造出來(lái)的芯片在處理大數(shù)據(jù)時(shí)不僅速度更快，而且至少節(jié)約30%的功耗。

這也意味著中國(guó)在這場(chǎng)終結(jié)硅時(shí)代的博弈中再也不是觀眾，也拿到了入場(chǎng)券，而且美國(guó)同屬于屬于第一梯隊(duì)，當(dāng)然我們也必須承認(rèn)，美國(guó)相較中國(guó)領(lǐng)先。

而日韓歐三國(guó)則處于第二梯隊(duì)，其他國(guó)家則只有當(dāng)觀眾的份，重在參與的資格都沒(méi)有。

中國(guó)目前除了碳納米管之外，在石墨烯等多個(gè)新材料領(lǐng)域都取得了不錯(cuò)的成績(jī)，而且依托于中國(guó)龐大的市場(chǎng)需求，容易催生新的產(chǎn)業(yè)，碳基技術(shù)在不久的將來(lái)可以應(yīng)用于國(guó)防科技、衛(wèi)星導(dǎo)航、氣象監(jiān)測(cè)、人工智能、醫(yī)療器械等多重領(lǐng)域。

中國(guó)目前也在大力倡導(dǎo)2025計(jì)劃，關(guān)注顛覆性新材料對(duì)傳統(tǒng)材料的影響。中國(guó)在這場(chǎng)博弈中不會(huì)和上一次一樣，連參與的機(jī)會(huì)都沒(méi)有，最起碼還是能分得一塊蛋糕的!