一文带你了解什么是碳基集成电路！

在芯片的发展过程中，人们开始探寻新的材料想要代替硅基芯片，而其中碳元素由于本身具有许多优质特性，于是便采用碳纳米管来做晶体管，由此做成的碳基芯片。

国内芯片发展是科技行业的热点芯片一直是科技行业最为关心的热门话题之一，尤其是最近的芯片禁令，导致华为的部分发展受到了困扰，所以人们就更加深刻的意识到了芯片的自主研发技术非常重要，最近行业内便开始流传起了关于碳基芯片的信息，碳基集成电路技术，被认为是最有可能代替硅基集成电路的未来信息技术。

目前已经有消息报道称北大电子系教授所带领的团队已经采用了全新的组装和提成方法，制造出了芯片的核心元器件，晶体管工作速度将对比起英特尔14纳米商用硅材料晶体管还要快三倍，而能耗只有它的1/4。

什么是碳基芯片

对于碳基芯片这个概念，有些不太了解的人也许会比较陌生，碳基芯片是在20世纪五六十年代被提出来的，当时集成电路发展已经开始提速，所以具有一定功能的电路所需要的晶体管电阻和电容等等，这些就成了当时的核心技术，而要将它们通过连接导线集成在一小块硅片上，然后在焊接封装在管壳内，这个技术是整个研发的强大支柱。

后来为了能够提高芯片的性能，所以人们便按照每18个月就将集成电路上可容纳的晶体管数量翻一番性能也提升一倍的规律来提升单个芯片的晶体管数量，但是这样一来相关的工艺难度也就随之提高了，特别是进入了纳米级别之后，关于材料技术和系统方面的技术物理限制，导致硅基芯片的发展开始出现停滞，这时人们也就开始寻找新的材料来代替硅基芯片，其中碳元素由于它本身的特性非常优越，所以被纳为最佳选择。

硅基芯片短时间内无法被取代

用碳纳米管来做传导，晶体管电子迁移率可达到硅晶体管的1000倍，电子的群众基础更好，而且碳纳米馆里的垫子自由城非常长，电子活动更自由，就不容易摩擦发热，这样一来看晶体管的极限运动速度会是硅晶体管的5~10倍，功耗方面只有硅晶体管的1/10，这样一来工艺条件就会变得更宽松一些。

虽然这个概念已经被提了出来，但是想要真正的取代硅基芯片，还是没有那么简单的，因为目前碳经济管没有办法量长，碳元素太过活泼，而且介电常数比较低，所以我们目前的技术存在着一定的技术障碍，除了技术障碍之外，成本以及成本率的问题，目前同样难以克服。

如今随着我国科学家在碳基芯片领域的不断摸索，已经是取得了一定的进展和突破，而且据说碳基芯片的性能会比硅基芯片性能要更加突出，这对于陷入困难局面的我国芯片行业来说是个好消息，如果能够在碳基领域得到发展和领先，或许可以对欧美半导体技术实现弯道超车，摆脱对于别人的技术依赖。不过想要用碳基芯片取代硅基芯片也还没有那么容易，虽然现在能够在实验室中制造出碳晶体管，但是想要拼接组合形成芯片量产还需要做大量的研制，将碳晶体管排布在晶圆片同样需要高精尖的技术才行，很多技术障碍仍然需要去攻克，因此想要完成商业化量产，还需要更多耐心和努力。不过相信我们的科学家，一定可以在未来完成更多的突破。

为什么碳基半导体的制造不用光刻机

可以肯定的是碳基集成电路的加工肯定不会用到光刻机！国内研发团队在碳基半导体制备材料研究领域取得突破性进展，为我国碳基半导体进入规模工业化奠定基础，也为我国芯片制造产业实现“弯道超车”提供巨大潜力。

传统的硅基芯片的制造过程的本质，就是按照芯片电路设计的要求，通过各种工艺生产在硅晶圆上制造出数以亿计的晶体管，并用电路将晶体管连接起来，从而实现芯片的逻辑运算功能。

硅材料的特性决定了硅基芯片的生产必须经过抛光、光刻、蚀刻、离子注入等一系列复杂的工艺过程，才能在晶圆上制造出晶体管来。而碳基半导体的晶体管用到的是碳纳米管，碳纳米管的制备过程跟硅基晶体管的制备方法有着本质的差别，所以碳基集成电路的加工一定不会用到光刻机。

碳基半导体可以帮助我国芯片产业实现弯道超车

芯片的制造分为三个步骤，设计、制造、封装测试。

在设计和封装测试环节，无论是通用CPU还是手机芯片，我国已经具备了世界一流的水平。我国在芯片加工工艺和加工设备制造方面的全面落后，造成我国在芯片制造环节远远落后于世界先进水平，尤其是光刻机技术落后于世界领先水平20年。这样巨大的差距，想要依靠常规的手段，在短时间内是无法实现对世界先进水平的赶超的。

碳基半导体技术的研究，我国与世界各国基本上同步开始。北大教授彭练矛的研究成果，一下子让我国在碳基半导体材料制备方面领先全球，为我国在下一代芯片制造技术领域赢得了宝贵的领先地位。

碳基半导体时代的开启

当前智能手机、电脑登电子设备已成为人们生活中不可或缺的一部分,更高的运行速度、更加持久的用电量一直是我们追求的目标,如何实现这些更优的性能,离不开晶体管研究领域的技术突破。

为打破传统硅基芯片发展面临的物理制约瓶颈,科学家们近年来开始研究替代硅基芯片的新型材料,碳基晶体管以其优越的性能,成为提高计算机运行速度,降低电子设备功耗的一代新星。但是,多年来一直面临制造工艺、材料等方面的发展难题。

2020年9月25日,美国加州大学伯克利分校和劳伦斯伯克利国家实验室(Berkeley Lab)的物理学系教授Crommie、化学系教授Fischer及其同事在Science上发表了一项最新研究成果,这个由化学家和物理学家组成的团队创造出了一种完全由碳制成的金属线。

这种金属线为制造碳基电路的工具箱提供了最后一个工具,该创造必将加速推进碳基晶体管的研究进程,为碳基计算机的制造奠定坚实的基础。
加州大学伯克利分校化学系教授Felix Fischer表示:“在碳基材料(Carbon-Based Materials)领域内,将同种材料整合到一起的技术是关键所在。”他指出,用同一种材料制造所有电路元件的能力会使制造变得更加容易,而这一直是全碳基集成电路架构中缺少的关键因素之一。

上世纪五六十年代,集成电路开始迅速发展,半导体制造工艺技术不断提升,一小块芯片上集成的晶体管数目不断增加,摩尔定律稳步发展。
进入21世纪,信息技术飞速发展,芯片性能不断提高,尺寸也在不断变小上实现一次次的突破,以单晶硅为主的半导体集成电路已成为整个信息技术的强大支柱。

但芯片尺寸的不断减小,也增加了相关工艺的难度,尤其是到了纳米级材料,受材料、技术、 器件等方面的物理限制,传统的硅基晶体管发展速度放缓。

近几年,对于硅基芯片发展中,摩尔定律面临的物理瓶颈日趋严重,研究人员开始逐步探索碳纳米晶体管的研发。与硅基晶体管相比,碳基晶体管具有成本低、功耗小、效率高的显著优势。理论上来说,碳晶体管的极限运行速度是硅晶体管的5-10倍,而功耗方面,却只是后者的十分之一。

所谓碳纳米管,是一种1991年被发现的新型材料,由呈六边形排列的碳原子构成的单层或者多层圆管。在制备高性能晶体管方面,它具有超高的电子和空穴迁移率、原子尺度的厚度、以及稳定的结构等优势。

我国碳基芯片的研究起步较早,代表研究机构有中科院、北京大学、清华大学等。

早在2017年,北京大学电子系教授彭练矛课题组就实现了用碳纳米管研制出了晶体管,而且其工作速度相当于英特尔最先进的14纳米商用硅材料晶体管的3倍,能耗仅占1/4。

彭练矛教授曾说:“我们在碳基集成电路这条路上走了二十年,还没有看到什么令我们觉得走不下去的障碍。”

超窄纳米带金属线

随着这些年碳基晶体管研究的不断深入,相关工艺日趋成熟,实验室级的碳晶体管不断被研发出来,想要把这些独立的碳基晶体管大规模的连接在一起形成一块完整的芯片,因为关键部件——金属线制造技术的不成熟,使得其成为一件相当困难的事情。

金属线就像计算机芯片中用于连接晶体管的金属通道一样,将晶体管中的电子从一端传导到另一端,作为计算机的基本组成部分,晶体管也因此得以实现半导体元件的互连。

加州大学伯克利分校的研究团队多年来一直致力于研究如何使用石墨烯纳米带制造半导体和绝缘体。

石墨烯纳米带是由原子厚度的石墨烯组成的一维窄条,这种结构完全由碳原子组成,排列成相互连接的六角形,类似于鸡肉线。

新研发的碳基金属也是一种石墨烯纳米带,但设计时着眼于在全碳晶体管的半导体纳米带之间传导电子。Fischer的同事、加州大学伯克利分校物理学教授Michael Crommie说,金属纳米带是采用一种自下而上的方法,利用较小的相同结构单元组装而成的结构。每个结构单元均贡献一个电子,该电子可沿纳米带自由流动。

虽然其他碳基材料也可以是金属的,比如扩展的二维石墨烯片和碳纳米管。但它们各自存在问题,例如,将二维石墨烯片材重塑成纳米级的条带,就会自发地将它们变成半导体,甚至是绝缘体。

碳纳米管却是一种极好的导体,但无法像纳米带那样,以同样的精度和可重复性进行大量制备。

Crommie说:“纳米带可以便于我们利用自下而上的制造方式,以化学方式获得各种各样的结构,这是纳米管还无法实现的一点。这样我们基本上可以将电子缝合在一起,以创建金属纳米带,这也是以前从来没有做过的事情。这不仅是石墨烯纳米带技术领域的重大挑战之一,也是我们感兴趣的原因之一。”

金属石墨烯纳米带具有宽的、部分填充的金属电子带特征,在电导率上应该与二维石墨烯本身相当。

“我们认为金属线确实是一项突破,这是我们第一次可以有意识地用碳基材料创造出一种超窄的金属导体,这种导体是一种良好的本征导体,而无需外部掺杂。”Fischer补充道。

调整拓扑结构

自上世纪五六十年代以来,硅基集成电路为计算机提供了越来越快的速度和更优的性能。但是近十年来,半导体上可集成的晶体管数目增长速度明显放缓,摩尔定律被不断质疑是否已到了穷途末路,当前的硅基半导体技术正在不断达到物理极限。

与此同时,想要降低电路的功耗也变得越来越难,计算机已经成了全球能源的一大消耗设施。Fischer 说,与硅基计算机相比,碳基计算机的切换速度有可能会加快很多倍,而功耗却很小。

纯碳的石墨烯是下一代碳基计算机的主要竞争者,窄带的石墨烯主要是半导体,面对绝缘体完全不导电和金属完全导电的两个极端,如何将它们同时用作绝缘体和金属,以完全由碳构成晶体管和处理器,成为一大挑战。

几年前,Fischer和Crommie与理论材料科学家、加州大学伯克利分校物理学教授Steven Louie合作,发现了连接小长度纳米带的新方法,从而可靠地创造了全方位的导电特性。从而可靠地创建了整个导电性能域。

两年前,该团队证明,通过以正确的方式连接纳米带的短段,可以将每段中的电子排列成一个新的拓扑状态(一种特殊的量子波函数),从而产生可调谐的半导体特性。

在这项新工作中,他们使用类似的技术将纳米带的短段缝合在一起,创造出一种长数十纳米、宽仅一纳米的导电金属线。

宽带金属石墨烯纳米带(GNR)的电子显微镜图像图中每个突簇对应了一个单独占据的电子轨道,在每个簇附近形成五边形环会使得金属GNR的电导率增加十倍以上, GNR主干的宽度为1．6纳米。

这些纳米带材是通过化学方法创建的,并使用扫描隧道显微镜在非常平整的表面上成像。简单的加热就可以诱导分子发生化学反应,并以正确的方式连接在一起。Fischer将菊花链式积木的组装比作一套乐高积木,但乐高积木的设计适合原子级。

Fischer 说:“它们都是经过精确设计的,所以只有一种方式可以合在一起。这就好比你拿一袋乐高积木,摇一摇,就会出来一辆完全组装好的汽车。这就是用化学控制自组装的神奇所在。”

一旦组装完毕,新的纳米带的电子状态是一种金属,就像Louie预测的那样,每个部分都贡献了一个导电电子。最终的突破可以归因于纳米带结构的微小变化。

“利用化学方法,我们创造了一个微小的变化,大约每100个原子中只有一个化学键发生了变化,但却使纳米带状物的金属性提高了20倍,从实用性的角度来看,这对使其成为一种性能良好的金属是很重要的。”Crommie说。

Fischer 教授和Crommie教授正在与加州大学伯克利分校的电气工程师合作,将他们的工具箱中的半导体、绝缘和金属石墨烯纳米带组装到工作的晶体管中。

Fischer说:“我相信这项技术将在未来改变我们构建集成电路的方式,这应该会使我们比现在可以预期的硅具有最好的性能提升一大步。我们现在有一条途径,可以以更低的功耗获得更快的开关速度。这就是未来推动碳基电子半导体产业发展的动力。”

碳基芯片竞速赛低调开启

过去，中国芯片更像是“在别人的墙基上砌房子”，如今有望在自家院子垒墙。北京大学电子学系彭练矛院士，耗二十年之力，终于在碳管研究上实现重大突破。

2020 年，彭练矛和团队、发展出全新的提纯和自组装方法，并使用该方法制备出高密度、高纯半导体阵列的碳纳米管材料，在此基础上还首次实现性能超越同等栅长硅基 CMOS 技术的晶体管和电路（CMOS，互补式金氧半导体）。

彭练矛的另一个身份，是北京碳基集成电路研究院院长。该研究院由北京市科委和北京大学共建。据他透露，研究院获得了北京市科委的支持。

此外，科技部纳米专项，给予北大碳基团队共计 20 年的大项目，并提供资金支持 9000 万元左右；国家自然科学基金，则提供 6 年共计 1000 万元的资金支持。

国家科技主管部门，为何对此项目寄予厚望？当前，晶体管主要用硅做成，寻找硅的替代品，是学术界应对摩尔定律 “失效” 的当务之急。早在 2004 年，全球学术界就发现，用碳做的晶体管，可以代替硅晶体管。

然而，近日麻省理工学院（以下称 MIT）的一项研究成果，必将给中国的研究带来竞争。

2020年6月1日，该校的电气工程与计算机科学系助理教授马克斯·舒拉克（Max M. Shulaker），带领团队在《自然·电子学》杂志发表了题为《在商用硅制造设施中制造碳纳米管场效应晶体管》（Fabrication of carbon nanotube field-effect transistors in commercial silicon manufacturing facilities）的论文。

舒拉克团队改进了一种将衬底浸没在纳米管溶液的沉积技术，从而让工业设备制造碳管成为可能。他们表示，这将促进碳管尽快应用到商业中。

同样研究该技术的彭练矛认为这篇文章并不新鲜，只不过展示了制备薄膜的细节。但意义比较重大的地方在于，这些工作是在商业硅基线上做的，它的确代表碳纳米管集成电路，将会很快进入公众视野。

图 | MIT 团队近日在《自然·电子学》发表的论文不过彭练矛表示，目前 MIT 团队的薄膜还是无序的，所以就算可以制备出来，性能未必很好。

从经验上来看，彭练矛团队的能力，也完全可以和舒克拉团队抗衡。相比舒克拉这位 90 后，彭练矛研究经验更多，论文发表量也远超前者，其团队已在《科学》发表三篇论文，在《自然》子刊也发表过多篇论文。

并且他还在牛津大学工作过，国际化方面完全不是问题。但 MIT 论文的一个细节，让人“细思极恐”。

彭练矛团队获得了政府研究资金的大力支持，而 MIT 团队的研究，除了有美国国防高级研究计划局三维芯片系统计划和美国空军研究实验室的官方支持外，还有 ADI 和 SkyWater 这样的半导体公司支持。

图 | MIT 的研究有半导体公司 ADI 和 SkyWater 的支持来自企业的支持，正是彭练矛团队当前急需的。他表示，中国企业并没有出大钱，也没有像美国企业这样深度参与。

中国决策层常讲，“扶上马送一程”。但是，送上路后，真正被企业所用，才能体现研究成果的价值。

舒拉克当时所在的斯坦福团队的主要领导者之一，是目前任职台积电首席科学家的黄汉森，化学团队则由柔性电子领域先驱、斯坦福大学化学工程系主任兼教授鲍哲南担纲。

后来，舒拉克从斯坦福毕业、并在发表几篇论文后，来到 MIT 成为助理教授、继续开展碳管研究。

MIT 团队通过和美国其他高校以及公司合作，在 PDK 和 EDA 工具开发、系统设计、工艺工程化等方面更具优势，各方面比较均衡。

相比舒拉克团队，北大彭练矛团队在碳基集成电路技术的基础- 高性能碳基晶体管和高质量碳纳米管材料方面，具有领先优势，一些成果已经做到世界最佳。

可以说，当前全球碳管芯片研究做得最好的，正是 MIT 舒克拉团队和北大彭练矛团队。但让彭练矛担心的是，企业合作是目前最大的短板。

而美国公司和高校之间交流和流动性较好，美国公司普遍愿意给高校投钱做项目，并会提出明确目标，让高校定期汇报进度。

目前，国内公司更愿意在研究方案成熟时，来和高校合作。例如在通信领域，企业和高校的合作就较多。因为这一般不涉及 “卡脖子” 的硬科技技术，通过改进算法或模型，就能出产品。

而带有不确定性的合作，一般短期内很难给公司带来盈利，长期来看也存在一定的风险，一般的公司也就没有给高校投钱的动力。处在行业引领地位的公司，例如华为，会更关注基础研发这部分，目前已和彭练矛团队接触。

对于量产时间，郭鑫称难度相对较低的物联网碳管芯片，预计三至五年内就可能商用。而应用于手机和服务器上的碳管芯片，则需要更长时间，因为这类芯片需要更先进的工艺制程，更复杂的设计，更高的集成度，以及更高的产能要求。

此外，当下国内外厂商中，尽管 IBM 的碳管研究团队已经基本解散，相关研究人员大都去了美国高校，但是英特尔依然有布局。台积电也在默默做碳管研究，只是比较低调。

碳基芯片不能重蹈覆辙

事实上，美国半导体企业，除参与高校研究之外，还承担着类似政府智库的角色。

2017 年，特朗普刚上任，总统科技顾问委员会就发布一份名为《如何确保美国在半导体行业的长期领导地位》的报告。

为写这份报告，时任美国总统科技助理、兼白宫科技政策办公室主任约翰 · 霍尔德伦，邀请英特尔前 CEO、飞思卡尔半导体前董事长、全球晶圆代工巨头格芯前 CEO、高通公司副董事长等，成立领导小组做研究。

他们研究后得出，中国半导体产业的向好发展，已成为 “让美国再次伟大” 的威胁。报告首页直指中国，上面写道：“中国通过产业政策以及高达 1000 亿美元的大基金，正在按照自己的意图有计划地重塑半导体市场，这严重威胁到美国半导体行业的竞争力以及利益相关方。”

最后，该智囊团为美国半导体继续领先世界的目标，定下的策略之一，正是抑制中国创新。报告认为，中国瞄准半导体设计和生产的全球领导地位，并利用国内稳步增长的半导体消费市场放大影响。美国觉得这些影响叠加起来，比任何技术创新的威力都大。

但直到目前，中国半导体行业，仍未实现世界领先。不然华为怎会被美国逼得想尽办法找代工厂，甚至还和韩国芯片代工厂商接洽？

如 2018 年倪光南在 “中兴事件” 后所言：“有些芯片确实跟国外差距很大，通信领域中兴用的很多芯片我们没有，没有是因为过去没重视。”

比如，台积电已经量产 7nm 芯片，中国大陆的中芯国际还在摸索 14nm。尽管大家对中芯国际的国产替代寄予厚望，但前提是他必须跑得快。

跑得慢，就得受美国制裁。为什么美国能制裁中兴和华为？通俗点说就是因为拿人家的手短。

龙芯公司董事长胡伟武，曾比喻称：“过去地主安心收租，农民好好种庄稼；如今农民靠积蓄也买了块地自己种起庄稼，影响了地主家的生意，地主家前些年日子太好过，现在又没了余粮——怎会不想方设法收拾农民？”

2018 年，“中兴事件”发生几天后，军事专家张召忠评论称：“每当我们想创新的时候，美国人总是告诉我们，我这里芯片大大滴有，你们还费那个劲干什么？现在全球经济一体化，都在强调全球产业链分工合作，中国没必要研发芯片。”

这两年，美国一直希望所有被制裁的中国公司，都可以像中兴一样乖乖就范交罚款。

小到手机，大到信息化战争，都有芯片的身影。如果你的手机，有面部解锁功能，那这正是 AI 芯片的功能。

芯片技术是国之重器，光有学术研究，根本抬不动。中国科学院微电子研究所所长叶甜春曾说：“集成电路整个技术从设计到制造，到目前为止是人类历史上最精密的设计、制造加工技术。（打个比方）集成电路是喜马拉雅山，核心芯片是珠穆朗玛峰，需要全世界最高端的技术。”

孙悟空翻个跟头十万八千里，多次从各路妖精手中解救唐僧，但唐僧随便念念经，就能把孙悟空搞得痛不欲生。缺乏核心技术，正是中国半导体行业头上的一道紧箍咒。

2018 年数据显示，每年光在电脑芯片和处理器芯片上，国外就从中国赚走 100 多亿美元。付出如此代价的原因之一，正是因为多数国内厂商，宁肯斥巨资从国外买技术，也不愿和国内学术界一块研发技术。

但要想赶超，还得靠创新，尽管创新会有失败。希望中国在碳基芯片研发上的良好开局，能够在产业化中得以保持，而不是再次经历硅基芯片的教训。

但一味模仿，至多维持不掉队，要想赶超还是得创新，尽管会有失败。其实，中国芯片和创业一样，要有勇气去试，不试就永远落后。

2020年中国国际石墨烯创新大会上，超平铜镍合金单晶晶圆、8英寸石墨烯单晶晶圆、锗基石墨烯晶圆等新材料集体亮相，展示了我国在高质量石墨烯材料领域的创新成果。在上海市石墨烯产业技术功能型平台的推动下，科研团队实现了这些成果的小批量生产，产品尺寸和质量处于国际“领跑”水平。

自从2004年石墨烯被分离出来后，物理、化学、材料、生物等领域的众多科学家投身其中，研发这种让两位科学家获得诺贝尔物理学奖的新材料。2009年，中科院上海微系统所科研团队瞄准石墨烯单晶制备及其电子器件应用的关键难题，开始了科技攻关。“就像制造硅芯片的材料是一片片硅单晶晶圆，想用石墨烯等碳基二维材料实现电子器件集成，开启微电子技术变革，就必须制备出大尺寸、高质量的石墨烯单晶晶圆。”中科院上海微系统所副研究员吴天如解释说。

可谓“十年磨一剑”，科研团队在国家科技重大专项、上海市科技创新行动计划项目支持下，瞄准高质量石墨烯制备与高性能器件技术的制高点，针对晶圆级石墨烯单晶的可控制备，专注于石墨烯新功能的开发与应用领域的拓展。从生长出单层，到单晶，再到原子级平整的大面积晶圆，上海科学家终于让石墨烯从用胶带剥离出几微米的样品，升级为可以规模化生产的8英寸晶圆。

上海市石墨烯功能型平台展示的8英寸石墨烯晶圆为早日实现石墨烯晶圆量产，中科院上海微系统所去年2019年9月与上海市石墨烯功能型平台签订了合作协议。功能型平台的创新实验室适合进行中试，具有“从1到10”的研发与转化功能。经过近一年建设，这个看似厂房的大型实验室已实现稳定的小批量生产。

目前，一些基于石墨烯、用于数据通信的电子组件正在业界进行原型演示。其中，电子和光子组件已集成到传输系统中并经过验证，可实现高速、低功耗的数据/电话通信。石墨烯光电探测器的光电模块，可检测从可见光到热范围的整个波段的光。因此，它们有望为夜视、光谱学和热成像技术提供有成本竞争力的产业应用。此外，原子层薄的石墨烯材料可以充当各种物理参数（化学成分、湿度、温度、应变等）的强大传感器，这些单片感应平台与射频识别天线结合使用，能用作远程可读探测器。

石墨烯太赫兹探测器件（左）和石墨烯高性能射频晶体管

石墨烯晶圆的小批量生产，为国产新一代电子器件的研发奠定了基础。在石墨烯器件集成方面，这类产品已积累了很多国内外用户。中科院、中电集团下属单位利用沪研材料开展攻关，突破了石墨烯太赫兹探测器件、高性能射频晶体管等电子器件的核心工艺。吴天如表示，这些前沿研究和成果转化，有利于解决碳基电子器件实用化面临的技术障碍，加速推进我国碳基集成电路技术的创新跨越发展。

附：碳纳米管小科普

一、偶然被发现的半导体产业“明日之子”

半导体早期发展阶段，晶体管由锗制作。发现锗材料制成的芯片难以承受高温工作条件后，研究人员翻开元素周期表，选出与锗属于同族、储量更足、耐热性更好的硅成为替代。

相比硅材料的“按图索骥”，碳基半导体材料被发现要偶然得多。碳纳米管由碳分子管状排列而成，可看作是由单层石墨卷成了一个“圆筒”，需要由石墨棒等碳材料经特殊方法制备而成。

1991年，日本物理学家饭岛澄男就职于日本筑波市的NEC（日本电气）基础研究所，专长于纳米科学、电子显微镜学等领域。

当时，饭岛用高分辨透射电子显微镜，观测用电弧法产生的碳纤维产物，意外发现了碳纳米管。饭岛澄男曾在美国、日本指导大量中国学生，2011年，饭岛澄男当选为中国科学院外籍院士。

▲饭岛澄男通过对碳纳米管材料的研究，人们发现它具有相比硅基材料更为优异的半导体特性，特别是在高迁移率、纳米尺寸、柔性、通透性、生物可兼容性方面。这些优异特性意味着碳基集成电路将具备高速率、高能效的优势。

基于上述性能优势，相比硅基晶体管，碳纳米管晶体管具有5～10倍的速度和能耗优势，适合用于高端电子学应用、高频器件应用、光通讯电路应用、柔性薄膜电子学应用。

二、二十余年成长史：IBM/斯坦福纷纷入局

饭岛澄男的发现开启了对碳纳米管这种材料的研究，也为碳纳米管的半导体应用买下伏笔。在实际应用方面，IBM是“第一个吃螃蟹的勇士”。

1998年，IBM研究人员制作出首个可工作的碳纳米管晶体管。从那以后很长时间，IBM一直对碳纳米管晶体管表现出浓厚兴趣。

2012年，IBM研究人员制造出一个沟道长度为9nm的碳纳米管晶体管。这是世界上首个可以在10nm节点以下工作的晶体管。同年，IBM基于标准半导体制程，研究出将超1万个碳纳米管晶体管集成到一颗芯片中的技术。

▲IBM制备的9nm沟道长度碳纳米管晶体管示意图2014年，IBM更是抛出豪言壮语，称要在2020年之前利用碳纳米管制备出比其时芯片快5倍的半导体芯片。2017年，IBM研究将碳纳米管晶体管尺寸推进40nm。IBM还曾组建一支专攻碳纳米管半导体技术研发的团队，就在IBM的T·J·华盛顿研究中心，由Wilfried Haensch领导。

2013年，斯坦福大学研究团队用178个碳纳米管晶体管制造出一个碳基芯片。当时，斯坦福研究人员评论称：也许有一天硅谷会变成碳谷。

2019年，麻省理工学院研究人员与芯片制造商Analog Devices合作，制造出全球首个全功能、可编程的16位RISC-V架构碳基处理器。该处理器能够完整地执行整套指令集。它还执行了经典的“Hello，World！”程序的修改版本，打出了“Hello, World！I am RV16XNano，made from CNTs（你好，世界！我是RV16XNano，由碳纳米管制成）”。

2019年7月，DARPA召开“电子复兴计划”。斯坦福–麻省理工的碳纳米管项目获得资助。

半导体厂商巨头、学术研究领先者纷纷下注碳基半导体，再次反证了碳纳米管材料在半导体领域的巨大潜能。

但是，这并不代表着对碳纳米管半导体技术的研发会一帆风顺。1998年首个碳纳米管晶体管研发至今，碳纳米管半导体技术一直遭遇材料上的瓶颈。长期以来，最小碳纳米管CMOS器件的栅长停滞在20nm（2014年 IBM）。

具体来说，为了满足大规模高性能集成电路的要求，需要碳纳米管晶体管同时满足两个要求：

1、排列和密度方面，需要一种高取向阵列方法，要求在1微米中放下100至200根碳纳米管，以保证晶体管数目；

2、纯度方面，需要半导体纯度大于99.9999%、或者金属型碳管含量小于0.0001%，以保证半导体性。

目前，在碳纳米管半导体领域发展较好的外国企业是美国存储芯片制造商Nantero。根据Nantero

官方信息，该公司计划于今年晚些时候推出基于碳纳米管晶体管的NRAM产品。

三、我国的碳基半导体研究“风景独好”

国外碳纳米管半导体材料研发停滞不前六七年。有媒体报道称，IBM的碳纳米管研发团队已经黯然解散，相关人员大多进入高校进行学术研究。

反观我国，我国的碳纳米材料研究起步较早。1997年，北京大学成立全国第一个纳米科技研究机构：北京大学纳米科学与技术研究中心。

2002年，清华大学吴德海教授团队和美国伦斯勒理工学院P.M.Ajayan教授合作，首次制备出利用浮动化学气相沉积方法制备直径约为300至500微米的碳纳米管束。

同年，清华大学范守善教授团队报道了从碳纳米管阵列拉丝制备碳纳米管纤维的方法。除了这些成就，据2014年数据，我国有超过1000家高校和科研所从事碳纳米材料研究活动，在碳纳米材料的研究方面不断创新。

碳纳米管半导体技术研发方面，相比国外一卡六七年的状况，我们颇有些“这边风景独好”的意思。

中国碳基纳电子器件代表研究机构有中科院、北京大学、清华大学等。今年5月份，北京大学发起的北京元芯碳基集成电路研究院，在权威学术期刊《Science》上发表一种全新的碳纳米管制备方法，首次同时实现了碳纳米管晶体管的高密度、高纯度要求。

使用该方法制备的碳纳米管纯度可达到99.9999%，阵列密度达到120/微米。通过这一技术，研究人员有望将集成电路技术推进到3nm节点以下！

▲北大团队研发的晶圆级高质量碳管阵列薄膜这个消息一经公布，我国从事碳纳米材料研发、生产的几家企业股票纷纷开涨。代表的有楚江新材、银龙股份旗下碳基研究院、中科电气、丹邦科技等。

在这些公司中，丹邦科技可以算是我国碳基半导体领域的一支强劲力量。丹邦科技成立于2001年，专门从事挠性电路与材料的研发和生产，是深圳证券交易所中小板上市企业。

2019年，丹邦科技自主研发的TPI量子碳基薄膜成功试生产。作为世界上唯一具备TPI量子碳基薄膜量产能力的企业，据称其技术已被苹果、华为看中。有消息称华为已经进入中试阶段。

TPI量子碳基薄膜具有多层石墨烯结构，主要用于5G手机、芯片、笔电、柔性屏散热等使用场景。

6月30日，丹邦科技披露了其2019年年度报告。数据显示，2019年丹邦科技营业收入为约3.47亿元，其中PI膜业务约占167万，占比0.48%。

结语：碳基材料有望挑起未来半导体产业“大梁”

按照国际半导体技术发展路线图委员会（ITRS）预测，硅基半导体的性能将在2020年左右达到物理学极限。

2020年，最先进的芯片制程节点推进5nm。5nm之后，全球半导体产业何去何从？哪怕不是2020年，硅基晶体管的尺寸极限终将到来，到那时芯片产业又该怎么办？

面对硅基材料的尺寸极限，换用碳基材料不失为一个方法。我国北大研究团队在制备碳纳米管晶体管方面取得的成就正是把碳基半导体向产业应用推进了一步，也有助于我国为“摩尔定律将终结”的预言未雨绸缪。

在北大团队发表《Science》论文后的6月1日，麻省理工学院的碳纳米管研究也取得进展。根据发表在《自然·电子学》上的论文，麻省理工研究人员证明了碳纳米管可以在工厂量产。

从1991年被发现至今，碳纳米管技术一直在稳步发展。或许在未来，碳基材料将成为半导体领域“挑大梁”般的存在，让我们拭目以待。