中国碳基半导体材料取得新突破，或终结硅时代，实现芯片全面领先

近日，北京大学张志勇教授-彭练矛教授课题组发展全新的提纯和自组装方法，制备高密度高纯半导体阵列碳纳米管材料，并在此基础上首次实现了性能超越同等栅长硅基CMOS技术的晶体管和电路，展现出碳管电子学的优势。

从2000年起，彭练矛已在碳基纳米电子学领域坚守了近20年，带领研究团队探究用碳纳米管材料制备集成电路的方法，早在2017年的时候，彭练矛率团队研制出5 nm（纳米）栅长碳纳米管CMOS器件，其工作速度2倍于英特尔最先进的14 nm商用硅材料晶体管，能耗却只有硅材料晶体管的1/4，相关成果2017年1月发表于《科学》（Science）。

2018年的时候，研究团队提出超低功耗的狄拉克源场效应晶体管，发表在《科学》上。同年，用高性能的晶体管制备出集成电路。

简单来说，彭练矛教授研究团队的这一系列成果就是中国为终结芯片硅时代提供了一种新的可能性方案。

从1959年，英特尔的创始人、硅谷的缔造者之一罗伯特·诺伊斯发明硅集成电路之后，世界就进入了硅时代。

如果说集成电路（IC）是信息社会的发动机。现代社会每一个普通人的生活、工作、娱乐，以及每一家公司的生产、经营，都与各种电子产品中的各类芯片牢牢绑定。

毫不夸张的说，哪个国家拥有最全、最高精尖的芯片产业链，谁就能拥有绝对的权力，因为它可以通过断供、限制出口等方式，重创它国的经济与科技发展空间。

那集成电路的核心就是硅，无论是制造芯片的设备，还是芯片自身的材料等，由硅制造的数十亿的晶体管集成在硅片之上，这些晶体管成为了信息时代流动的血液，形成各种文字、数字、声音、图像和色彩，便捷了人类的生活。

可以说，硅（Si）作为集成电路的最基础材料，是构建整个现代文明社会的砖石，我们的吃穿住行都离不开由硅构建的半导体产业形成的产品，它是人类社会近几十年快速发展的基石，而作为硅时代的缔造者，美国也在芯片产业中具有无可比拟的话语权。

不过随着摩尔定律逼近极限，硅材料的带隙较窄、电子迁移率和击穿电场较低的缺陷也开始慢慢显现，而且硅在光电子领域和高频高功率器件方面的应用受到诸多限制，在高频下工作性能较差，不适用于高压应用场景，光学性能也得不到突破。

所以科学家一直想要寻找新的材料来替代硅，各个国家都提出了自己的方案，并且投入了很大的资金预研。因为一旦自己的方案真的取代了硅时代，那么就意味着在新一代全球芯片产业中占据了核心话语权。

大家想象一下，如果是中国的方案取代了硅时代，那么一旦新的材料时代到来，芯片将会以新的面貌出现，芯片设计厂商、芯片设备厂商、晶圆加工厂商原有的垄断格局将彻底打破，那么美国所拥有的半导体优势将全部清零。

这些方案包括石墨烯、碳纳米管、碳化硅、氮化镓等，其中无论是石墨烯、还是碳纳米管或者碳化硅都是和碳原子有关，所以大部分国家都认为终结硅时代的会是碳时代。

小小的芯片，大大的问题

华为的事情，还是闹大了。 甚至连我妈都来问我，“华为是不是要完蛋了”。 临到了，老太太还问了一个终极命题，“我们内地自己的芯片，到底行不行”。 这让我想起一个号称“央视最牛采访的视频”。 记者：目前为止我们钢铁产能情况怎么样？ 马科长：钢铁我们

作为地球上普遍存在的碳元素，与硅同属一族，它们之间具有很多相似的性质。碳基半导体具有成本更低、功耗更小、效率更高的优势，更适合在不同领域的应用而成为更好的半导体材料选项。

而科学界普遍认为碳纳米管自身的材料性能远优于硅材料，碳管晶体管的理论极限运行速度可比硅晶体管快5～10倍，而功耗却降低到其1/10，因此是极佳的晶体管制备材料，这也是为什么中国会研究碳纳米管的原因。

当然，也不仅仅是中国，美国多个科研团队也都在研究碳纳米管。制备碳纳米管晶体管的传统方式是对碳管材料进行掺杂处理，通过掺杂的杂质控制晶体管的极性和性能。

此时，碳管由于内部充满杂质，将会失去原本具有运行速度快的优势，同时还增加晶体管的功耗，相较传统的硅材料彻底失去竞争力。在技术难题面前，Intel等公司纷纷放弃了碳管晶体管的研制，唯有IBM公司继续研发，却也只能研制出合格的P型晶体管。

而我们刚刚提到，在2017年的时候，彭练矛教授研究团队创造性地研发了一整套高性能碳纳米管晶体管的无掺杂制备方法，终于突破了N型碳纳米管晶体管制备这一跨世纪难题，首次实现了5 nm栅长的高性能碳管晶体管，性能超越目前最好的硅基晶体管，接近量子力学原理决定的物理极限，有望将CMOS技术推进至3 nm以下技术节点。

碳管CMOS器件与传统半导体器件的比较（A、基于碳管阵列的场效应晶体管结构示意图，B～D、碳管CMOS器件与传统材料晶体管的比较）

但这个时候又面临一个更大的难题，碳纳米管集成电路批量化制备的前提是实现超高半导体纯度、顺排、高密度、大面积均匀的碳纳米管阵列薄膜对于以往的制造工艺，这样的生产要求是难以达到的，材料问题的制约导致碳管晶体管和集成电路的实际性能远低于理论预期，成为碳管电子学领域所面临的最大的技术挑战。

而这次彭练矛教授的突破就在于碳管电子学领域、以及碳基半导体工业化的共同难题被攻克，制备出首个超越相似尺寸的硅基CMOS的器件和电路，而这也意味着，如果碳基信息器件技术，可以充分利用碳管在物理、电子、化学和机械方面的特殊优势，就有希望生产出性能优、功耗低的芯片。

高密度、高纯度半导体碳管阵列的制备和表征

彭练矛表示。与国外硅基技术制造出来的芯片相比，我国碳基技术制造出来的芯片在处理大数据时不仅速度更快，而且至少节约30%的功耗。

这也意味着中国在这场终结硅时代的博弈中再也不是观众，也拿到了入场券，而且美国同属于属于第一梯队，当然我们也必须承认，美国相较中国领先。

而日韩欧三国则处于第二梯队，其他国家则只有当观众的份，重在参与的资格都没有。

中国目前除了碳纳米管之外，在石墨烯等多个新材料领域都取得了不错的成绩，而且依托于中国庞大的市场需求，容易催生新的产业，碳基技术在不久的将来可以应用于国防科技、卫星导航、气象监测、人工智能、医疗器械等多重领域。

中国目前也在大力倡导2025计划，关注颠覆性新材料对传统材料的影响。中国在这场博弈中不会和上一次一样，连参与的机会都没有，最起码还是能分得一块蛋糕的！