“隨著產品的不斷更迭，15年之後，碳基晶片有望憑藉其高效能、低功耗和多樣性的優勢，隨著產品更迭逐漸成為主流晶片技術！
——中國科學院院士彭練矛
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奈米管CMOS技術方面的部分研究成果作了《碳基積體電路產業化前瞻》的主題報告。
碳奈米管或將成為積體電路支撐材料
在半導體發展初期，電晶體由鍺製作，很快就被矽取代。發展到今天，矽基晶片已到達工藝極限——3nm，更小的製程和更小的電晶體，會讓矽基晶片出現漏電效應和短溝道效應。因此半導體行業亟需可與矽基材料相媲美的材料，碳奈米管順勢進入公眾的視野。
碳奈米管又名巴基管，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裝置中產生的球狀碳分子時，意外發現了由管狀的同軸奈米管組成的碳分子，即碳奈米管。經過七年不間斷的深入研究與測試，在1998年，IBM研究人員製作出首個可工作的碳奈米管電晶體。
彭練矛院士介紹道，碳奈米管主要有以下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、超潔淨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徵電容，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，效能接近理論極限的亞5奈米平面電晶體。
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“碳奈米管作為未來積體電路的支撐材料，仍有不少問題亟需解決。”如2009年ITRS提出的“碳奈米管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”碳奈米管5+”挑戰，實現了整套的碳奈米管積體電路和光電器件製備技術。
他分析認為，碳奈米管技術現存的根本性挑戰是摻雜難題。
據瞭解，2005年Intel公司一項關於碳奈米管技術的評估資料顯示，碳管的p型器件效能已經超過了矽基PMOS器件，然而碳管n型器件效能遠低於其p型器件和矽基NMOS器件。因此Intel公司得出結論：採用傳統的半導體摻雜工藝，無法制備出效能超越矽基CMOS的碳奈米管器件。
“我們的團隊於2007年發展了全新的碳奈米管無摻雜CMOS技術，效能接近了理論極限，全面超越了矽基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積體電路無摻雜的製備技術，製作出了柵長僅為5nm的碳電晶體，尺寸方面與矽基相當，綜合性能卻超過了矽基的十倍還多。
5G、6G時代為碳基技術帶來發展機遇
儘管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。“不斷髮展的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訊技術發展中的機遇點。
“2020年北京大學團隊的實驗室晶片已進入太赫茲（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於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，未來的碳奈米管CMOS電路、太赫茲（THz）射頻電晶體、氣體和生物感測器件、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整合等領域均有良好的產業化前景。
彭練矛院士還介紹了碳奈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訊號，因此晶片抗輻照的效能非常重要。碳奈米管材料具有抗輻照的優勢，將它與適合的襯底結合，例如採用極薄的聚合物襯底，可以減少高能粒子的作用，大幅度提高晶片抗輻照能力。”
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儲存和邏輯器件的碳基晶片,相較目前矽基晶片，有望實現上千倍的效能提升。”
根據美國半導體行業協會（SIA）釋出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，其中美國佔47%，中國大陸佔5%。但美國企業平均研發投入為16.4%，中國大陸只有8.3%。從貿易資料來看，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，其中積體電路佔比最大，達到了3000多億美元。半導體技術是晶片的基礎，沒有晶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。”彭練矛院士最後總結道。
