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在半導(dǎo)體發(fā)展初期，晶體管由鍺制作，很快就被硅取代。發(fā)展到今天，硅基芯片已到達(dá)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(xiàn)漏電效應(yīng)和短溝道效應(yīng)。因此半導(dǎo)體行業(yè)亟需可與硅基材料相媲美的材料，碳納米管順勢進(jìn)入公眾的視野。

碳納米管又名巴基管，是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的一維量子材料，主要由呈六邊形排列的碳原子構(gòu)成數(shù)層到數(shù)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(xué)家飯島澄男在高分辨透射電子顯微鏡下檢驗(yàn)石墨電弧設(shè)備中產(chǎn)生的球狀碳分子時，意外發(fā)現(xiàn)了由管狀的同軸納米管組成的碳分子，即碳納米管。經(jīng)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(diǎn)：

1. 特殊且完美的一維結(jié)構(gòu)，極大壓抑了背散射，是一種低功耗的彈道運(yùn)輸。

2. 擁有理想的無懸掛鍵結(jié)構(gòu)，優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)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(yīng)。

4. 超薄的導(dǎo)電通道、極好的靜電控制，無短溝道效應(yīng)，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(zhàn)等，需要逐一解決。彭練矛院士表示，經(jīng)過近二十年的努力，彭練矛院士帶領(lǐng)的北京大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)現(xiàn)已基本解決ITRS提出的”碳納米管5+”挑戰(zhàn)，實(shí)現(xiàn)了整套的碳納米管集成電路和光電器件制備技術(shù)。

他分析認(rèn)為，碳納米管技術(shù)現(xiàn)存的根本性挑戰(zhàn)是摻雜難題。

據(jù)了解，2005年Intel公司一項(xiàng)關(guān)于碳納米管技術(shù)的評估數(shù)據(jù)顯示，碳管的p型器件性能已經(jīng)超過了硅基PMOS器件，然而碳管n型器件性能遠(yuǎn)低于其p型器件和硅基NMOS器件。因此Intel公司得出結(jié)論：采用傳統(tǒng)的半導(dǎo)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(tuán)隊(duì)于2007年發(fā)展了全新的碳納米管無摻雜CMOS技術(shù)，性能接近了理論極限，全面超越了硅基CMOS器件。”據(jù)介紹，彭練矛院士帶領(lǐng)的北京大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)發(fā)展了整套碳基CMOS集成電路無摻雜的制備技術(shù)，制作出了柵長僅為5nm的碳晶體管，尺寸方面與硅基相當(dāng)，綜合性能卻超過了硅基的十倍還多。

5G、6G時代為碳基技術(shù)帶來發(fā)展機(jī)遇

盡管5G時代已經(jīng)來臨，但目前中國5G技術(shù)主要使用的是Sub-6GHz頻段，導(dǎo)致頻段非常擁擠。“不斷發(fā)展的5G技術(shù)和未來的6G技術(shù)要求提供大量可使用的連續(xù)頻段，但這些頻段只在90GHz之上才存在。因此，發(fā)展能夠在90-300GHz工作的半導(dǎo)體技術(shù)變得愈發(fā)重要。”會上，彭練矛院士指出了碳基技術(shù)在未來通信技術(shù)發(fā)展中的機(jī)遇點(diǎn)。

“2020年北京大學(xué)團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)室芯片已進(jìn)入太赫茲（THz）階段。”他表示，具有高頻段下應(yīng)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(jīng)發(fā)表（自然-電子，2021，Vol.4, page:405）的實(shí)驗(yàn)結(jié)果遠(yuǎn)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(yù)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(lǐng)域均有良好的產(chǎn)業(yè)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(yīng)用前景。“未來的飛行器將到達(dá)火星甚至更遠(yuǎn)的深空，而外太空充斥著各種各樣強(qiáng)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(yōu)勢，將它與適合的襯底結(jié)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(jìn)數(shù)萬億的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)

“碳基技術(shù)有望全方位促進(jìn)現(xiàn)有半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展，比如美國斯坦福學(xué)者的計算表明在三維結(jié)合存儲和邏輯器件的碳基芯片,相較目前硅基芯片，有望實(shí)現(xiàn)上千倍的性能提升。”

根據(jù)美國半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會（SIA）發(fā)布的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)報告顯示，2019年全球半導(dǎo)體營收達(dá)到了4123億美元，其中美國占47%，中國大陸占5%。但美國企業(yè)平均研發(fā)投入為16.4%，中國大陸只有8.3%。從貿(mào)易數(shù)據(jù)來看，美國半導(dǎo)體出口460億美元，中國大陸進(jìn)口3056億美元。

“半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的規(guī)模接近3萬億人民幣，其中集成電路占比最大，達(dá)到了3000多億美元。半導(dǎo)體技術(shù)是芯片的基礎(chǔ)，沒有芯片就沒有中國的現(xiàn)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(lǐng)域。”彭練矛院士最后總結(jié)道。