電子發燒友網報道（文/吳子鵬）從2017年北京大學彭練矛團隊首次製備出了5奈米的高效能碳電晶體，國內的半導體圈子就一直在盛傳碳基晶片，近來這種討論再次鼎沸。原因無外乎兩個，一方面摩爾定律的推進放緩已成事實，雖然晶圓代工廠在不斷更新制程資料，但效能和功耗都早已脫離了原來的路線；另一方面國產晶片在矽基晶片領域受阻嚴重，目前EUV光刻機這種關鍵裝置根本無法進入中國大陸，一段時間內國產晶片製造工藝停滯不前是可以預見的。
圖源：nature雜誌
近兩日，國內的學者和自媒體再次引爆碳基晶片話題，推崇和質疑又紛至沓來。輿論的兩極化讓碳基晶片的發展蒙上了一層輕紗，聲色誘人，又似有“天生頑疾”。
碳基晶片的先進性和前沿進展
從定義上看，碳基晶片是指以碳奈米管、石墨烯等材料為核心的晶片，相較於矽基晶片，碳基晶片在理論上有著1000倍的電子遷移效能，有更高的傳輸速率、更低的成本和更低的功耗。目前已經有研究表明，同等工藝下的碳基晶片在效能方面遠超矽基晶片。
因此，目前的發展態勢是碳基晶片並非會脫離當下的晶片產業，依然會藉助現有晶片的製造工藝，目前少數的試驗品證明，碳基晶片確實更出色。
接下來，我們從彭練矛團隊公開的資訊以及其他相關研究來看一下，碳基晶片到底有何妙處？其先進性體現在哪裡？
我們在北京大學資訊科學技術學院師資隊伍中看到，彭練矛教授主攻的方向基本是圍繞奈米技術，包括奈米電子及功能材料的合成；基於奈米材料的高效能電子、光電子器件的製備，器件物理，奈米積體電路的實現和系統整合；奈米器件在化學、生物感測及能源方面的應用。因此，彭練矛團隊在碳基晶片上面的研究可能會是從材料到晶片製造到應用的全覆蓋。
圖源：北京大學官網
我們都知道現代晶片的根本是電晶體，那麼要做碳基晶片，首先就要用碳材料做出電晶體。2000年，彭練矛團隊就開始著手探究用碳奈米管材料製備積體電路的方法，並於7年後，也就是2007年成功研發出一種碳奈米管電晶體的製備方法。
透過採用碳奈米管作為溝道導電材料，碳電晶體是由碳原子排列而成的微小圓柱體，比現在的矽電晶體小100倍，也就意味碳電晶體可以做到更小。在此將上述優點綜合起來看，也就是專家所講到的，只使用28nm工藝的碳基晶片就會有7nm矽基晶片的等效效能。在實驗室條件下，碳基晶片的功耗表現優於矽基晶片5倍，且能效比是矽基晶片的50倍。在三維積體電路上，碳電晶體的優勢會更加明顯，理論上的功耗表現會優於矽基晶片1000倍。
下圖是北京元芯展示的一種新型的具有超強抗輻照能力的碳奈米管場效應電晶體，彭練矛-張志勇課題組有參與其中。在此引述一下該項研究的一段描述，在低輻照劑量率（66.7 rad/s）下，電晶體和反相器電路能夠承受15 Mrad（Si）的總劑量輻照。在此基礎上，課題組發展了可修復的碳奈米管積體電路，結果表明，經受3 Mrad總劑量輻照的離子膠碳奈米管場效應電晶體和反相器，在100℃下退火10分鐘，其電學效能和抗輻照能力均得以修復。
離子膠碳奈米管抗輻照電晶體和積體電路輻照修復效應
圖源：北京元芯
這項研究無疑證明了碳基晶片具有很好的抗輻照特性。
當然，世界上第一個碳奈米電晶體陣列並非誕生在中國，而是由IBM的研究人員製造出來的，並且也不僅僅只有中國在研究碳基晶片，美國同樣很重視，另外作為全球晶圓代工巨頭的臺積電也出現在這個領域。
在碳基晶片領域有一個關鍵問題是，過去很難有辦法很好地控制碳電晶體，那麼就無法復現邏輯電路中的開關功能，由臺積電首席科學家黃漢森領導，來自臺積電、斯坦福大學和加州大學聖地亞哥分校的研究人員透過一種新的製造工藝解決了這個問題。
過去矽基晶片是將具有較高介電常數（即高k）的介質材料——二氧化鉿沉積在二氧化矽上，但碳奈米管不能形成氧化層，於是研究人員又在其中加入了一種中間k介質——氧化鋁。這樣碳基晶片就具備了工作的能力。
彙總來看，彭練矛團隊研究出來了無摻雜製備碳電晶體的方法，並於2017年首次製備出了5奈米的高效能碳基電晶體，還發明瞭一套可以製備排列碳奈米管的技術，排列密度達到每微米200-250根，透過採用“6個9”純度的碳奈米管材料，滿足了半導體的製備工藝，相關成果被《Science》發表。在製造方面，臺積電為首的研究團隊解決了碳基晶片工作的難題，而北京元芯碳基積體電路研究院也攻克了相關問題，並在2021年12月於北京亦莊舉行了“90 奈米碳基積體電路關鍵工藝研究”課題驗收會，嘉賓不僅看到了樣品實物，還參觀了正在建設中 90 奈米工藝先導線，產品綜合性能等效28nm矽基晶片。
針對碳基晶片的質疑聲
雖然彭練矛團隊透過無摻雜的方式製備出了碳電晶體，臺積電等研究團隊透過進一步注入中間k介質解決了碳電晶體開關控制的難題，而且彭練矛團隊和MIT團隊都基於碳電晶體設計出了計算晶片，但這些成果大都是在實驗室中完成，且碳基晶片還有很多待攻克的材料和技術難題，因此質疑者的聲浪並不低於對碳基晶片推崇的人。
第一個質疑是碳活躍的問題，雖然透過特殊的方法能夠用碳奈米管制備電晶體，但晶圓代工企業的員工大都認為從實驗室將碳基晶片的製備方法轉移到產線，碳分子的活躍性將帶來巨大挑戰，這是一個量產難題。同時，碳分子的活躍性也給應用帶來了不確定性，下游生態的搭建阻力更大。此外，碳奈米管提純難度大，“6個9”純度以上的碳基材料是否可量產，或者量產的經濟效益是否合理都是未知數。
第二個質疑是碳奈米管相對於矽奈米管更小，這本來是碳基晶片的優點，可以製備更先進工藝的晶片，但正如中芯國際此前提到的，碳基晶片的生產難度更高。中芯國際代表著大陸晶圓製造的最高水平，那麼很顯然更小的碳電晶體會成為量產的一個障礙，要用更小的碳電晶體實現功能電路無疑需要更先進的光刻機，又回到了老問題上。
第三個質疑也是針對碳材料本身的，一個是電阻的控制，另一個防漏電，要成為穩定可靠的功能晶片，這兩點是必須要徹底解決的。
第四個質疑是路徑依賴，矽基晶片發展至今已經在材料、裝置、製造和應用等環節形成成熟的生態鏈，國內的從業者也是大批大批地湧入這個領域，產業要興起，人才是不可或缺的，在國產矽基晶片都人手不夠的情況下，預計只有極少數的人會參與到碳基晶片的研究中。在這樣的情況下，碳基晶片即便沒有缺陷想另起爐灶也是難上加難。
在學術上的質疑聲之外，還有一些聲音認為，碳基晶片只能存在於學術端，無法走進產業，是學術工作者“水paper”的手段。
後記
國產晶片在過去一段時間裡經常提彎道超車，但開車的人都知道彎道是禁止超車的，不是說不能，而是太危險了，有著投機取巧的心理。要超車就需要換道，在晶片發展上面同樣是這個道理，要想在晶片上面取得領先，矽基晶片上面的可能性無限趨於零，一個EUV光刻機就把我們卡的死死的。
那麼要想在晶片上面實現超越，就需要換條賽道，光量子晶片和碳基晶片等都是全新的賽道，現在我們還無法篤定哪條賽道會成功，因此都不落後於人是至關重要的。有人質疑，高校搞前沿科技是為了 paper 數量，是為了“攢資本”，這樣的理解過於狹隘了。且不說北京元芯已經在推進碳基晶片的生產落地，即便沒有，也不能讓“利益論”綁架高校的創新燈塔，科技的進步要謹記為有源頭活水來。化合物半導體在功率器件、LED等領域取代矽也有一個過程。
但實驗室水平和應用落地之間也隔著層層鴻溝，至少需要確保十年以上的持續資金投入和政策支援，我們也不能過度吹捧我們的科技創新。所謂捧殺，捧殺，很多事情的失敗不是因為競爭打壓，過渡的輿論發酵會讓管理者、參與者迷失，最終因為不合理的理想和現實之間的落差而導致很好的專案胎死腹中。
