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 “隨著產品的不斷更迭，15年之后，碳基芯片有望憑借其高性能、低功耗和多樣性的優勢，隨著產品更迭逐漸成為主流芯片技術！”

近日，在由深圳市科學技術協會主辦，深圳市高層次人才聯誼會、深圳市新材料行業協會承辦的“2021年深圳市新材料新能源技術和產業發展論壇”上，中國科學院院士彭練矛就北京大學研究團隊在碳納米管CMOS技術方面的部分研究成果作了《碳基集成電路產業化前瞻》的主題報告。

碳納米管或將成為集成電路支撐材料

在半導體發展初期，晶體管由鍺制作，很快就被硅取代。發展到今天，硅基芯片已到達工藝極限——3nm，更小的制程和更小的晶體管，會讓硅基芯片出現漏電效應和短溝道效應。因此半導體行業亟需可與硅基材料相媲美的材料，碳納米管順勢進入公眾的視野。

碳納米管又名巴基管，是一種具有特殊結構的一維量子材料，主要由呈六邊形排列的碳原子構成數層到數十層的同軸圓管。其層與層之間保持固定的距離，約0.34nm，直徑一般為2~20 nm。

1991年，日本物理學家飯島澄男在高分辨透射電子顯微鏡下檢驗石墨電弧設備中產生的球狀碳分子時，意外發現了由管狀的同軸納米管組成的碳分子，即碳納米管。經過七年不間斷的深入研究與測試，在1998年，IBM研究人員制作出首個可工作的碳納米管晶體管。

彭練矛院士介紹道，碳納米管主要有以下4個方面的特點：

1. 特殊且完美的一維結構，極大壓抑了背散射，是一種低功耗的彈道運輸。

2. 擁有理想的無懸掛鍵結構，優異的化學穩定性、超潔凈的表面使得它具有極高的柵效率。

3. 極高的載流子遷移率以及超小的本征電容，能夠高速響應。

4. 超薄的導電通道、極好的靜電控制，無短溝道效應，性能接近理論極限的亞5納米平面晶體管。

圖片來源：智東西

“碳納米管作為未來集成電路的支撐材料，仍有不少問題亟需解決。”如2009年ITRS提出的“碳納米管5+”挑戰等，需要逐一解決。彭練矛院士表示，經過近二十年的努力，彭練矛院士帶領的北京大學研究團隊現已基本解決ITRS提出的”碳納米管5+”挑戰，實現了整套的碳納米管集成電路和光電器件制備技術。

他分析認為，碳納米管技術現存的根本性挑戰是摻雜難題。

據了解，2005年Intel公司一項關于碳納米管技術的評估數據顯示，碳管的p型器件性能已經超過了硅基PMOS器件，然而碳管n型器件性能遠低于其p型器件和硅基NMOS器件。因此Intel公司得出結論：采用傳統的半導體摻雜工藝，無法制備出性能超越硅基CMOS的碳納米管器件。

“我們的團隊于2007年發展了全新的碳納米管無摻雜CMOS技術，性能接近了理論極限，全面超越了硅基CMOS器件。”據介紹，彭練矛院士帶領的北京大學研究團隊已經發展了整套碳基CMOS集成電路無摻雜的制備技術，制作出了柵長僅為5nm的碳晶體管，尺寸方面與硅基相當，綜合性能卻超過了硅基的十倍還多。

5G、6G時代為碳基技術帶來發展機遇

盡管5G時代已經來臨，但目前中國5G技術主要使用的是Sub-6GHz頻段，導致頻段非常擁擠。“不斷發展的5G技術和未來的6G技術要求提供大量可使用的連續頻段，但這些頻段只在90GHz之上才存在。因此，發展能夠在90-300GHz工作的半導體技術變得愈發重要。”會上，彭練矛院士指出了碳基技術在未來通信技術發展中的機遇點。

“2020年北京大學團隊的實驗室芯片已進入太赫茲（THz）階段。”他表示，具有高頻段下應用潛力的碳管射頻晶體有望用于5G毫米波乃至太赫茲（THz）頻段，已經發表（自然-電子，2021，Vol.4, page:405）的實驗結果遠超美國同類器件的最好水平（自然-電子，2019，Vol. 2, page: 530）：電路放大截止頻率ft=540GHz（中國），75GHz（美國）；功率放大截止頻率 fmax=306GHz（中國），102GHz（美國)。

他預測，未來的碳納米管CMOS電路、太赫茲（THz）射頻晶體管、氣體和生物傳感器件、柔性電子電路、以及碳基電子、光電子、等離激元器件的三維單片集成等領域均有良好的產業化前景。

彭練矛院士還介紹了碳納米管未來在抗輻照電路中的應用前景。“未來的飛行器將到達火星甚至更遠的深空，而外太空充斥著各種各樣強大的能量粒子和干擾信號，因此芯片抗輻照的性能非常重要。碳納米管材料具有抗輻照的優勢，將它與適合的襯底結合，例如采用極薄的聚合物襯底，可以減少高能粒子的作用，大幅度提高芯片抗輻照能力。”

促進數萬億的半導體產業

“碳基技術有望全方位促進現有半導體技術發展，比如美國斯坦福學者的計算表明在三維結合存儲和邏輯器件的碳基芯片,相較目前硅基芯片，有望實現上千倍的性能提升。”

根據美國半導體行業協會（SIA）發布的半導體產業報告顯示，2019年全球半導體營收達到了4123億美元，其中美國占47%，中國大陸占5%。但美國企業平均研發投入為16.4%，中國大陸只有8.3%。從貿易數據來看，美國半導體出口460億美元，中國大陸進口3056億美元。

“半導體產業的規模接近3萬億人民幣，其中集成電路占比最大，達到了3000多億美元。半導體技術是芯片的基礎，沒有芯片就沒有中國的現代化。無疑這是一個值得大家卯足勁去研究去探索的重要領域。”彭練矛院士最后總結道。