近日，北京大學張志勇教授-彭練矛教授課題組發(fā)展全新的提純和自組裝方法，制備高密度高純半導體陣列碳納米管材料，并在此基礎(chǔ)上首次實現(xiàn)了性能超越同等柵長硅基CMOS技術(shù)的晶體管和電路，展現(xiàn)出碳管電子學的優(yōu)勢。
從2000年起，彭練矛已在碳基納米電子學領(lǐng)域堅守了近20年，帶領(lǐng)研究團隊探究用碳納米管材料制備集成電路的方法，早在2017年的時候，彭練矛率團隊研制出5 nm（納米）柵長碳納米管CMOS器件，其工作速度2倍于英特爾最先進的14 nm商用硅材料晶體管，能耗卻只有硅材料晶體管的1/4，相關(guān)成果2017年1月發(fā)表于《科學》（Science）。
2018年的時候，研究團隊提出超低功耗的狄拉克源場效應(yīng)晶體管，發(fā)表在《科學》上。同年，用高性能的晶體管制備出集成電路。
簡單來說，彭練矛教授研究團隊的這一系列成果就是中國為終結(jié)芯片硅時代提供了一種新的可能性方案。
從1959年，英特爾的創(chuàng)始人、硅谷的締造者之一羅伯特·諾伊斯發(fā)明硅集成電路之后，世界就進入了硅時代。
如果說集成電路（IC）是信息社會的發(fā)動機。現(xiàn)代社會每一個普通人的生活、工作、娛樂，以及每一家公司的生產(chǎn)、經(jīng)營，都與各種電子產(chǎn)品中的各類芯片牢牢綁定。
毫不夸張的說，哪個國家擁有最全、最高精尖的芯片產(chǎn)業(yè)鏈，誰就能擁有絕對的權(quán)力，因為它可以通過斷供、限制出口等方式，重創(chuàng)它國的經(jīng)濟與科技發(fā)展空間。
那集成電路的核心就是硅，無論是制造芯片的設(shè)備，還是芯片自身的材料等，由硅制造的數(shù)十億的晶體管集成在硅片之上，這些晶體管成為了信息時代流動的血液，形成各種文字、數(shù)字、聲音、圖像和色彩，便捷了人類的生活。
可以說，硅（Si）作為集成電路的最基礎(chǔ)材料，是構(gòu)建整個現(xiàn)代文明社會的磚石，我們的吃穿住行都離不開由硅構(gòu)建的半導體產(chǎn)業(yè)形成的產(chǎn)品，它是人類社會近幾十年快速發(fā)展的基石，而作為硅時代的締造者，美國也在芯片產(chǎn)業(yè)中具有無可比擬的話語權(quán)。
不過隨著摩爾定律逼近極限，硅材料的帶隙較窄、電子遷移率和擊穿電場較低的缺陷也開始慢慢顯現(xiàn)，而且硅在光電子領(lǐng)域和高頻高功率器件方面的應(yīng)用受到諸多限制，在高頻下工作性能較差，不適用于高壓應(yīng)用場景，光學性能也得不到突破。
所以科學家一直想要尋找新的材料來替代硅，各個國家都提出了自己的方案，并且投入了很大的資金預(yù)研。因為一旦自己的方案真的取代了硅時代，那么就意味著在新一代全球芯片產(chǎn)業(yè)中占據(jù)了核心話語權(quán)。
大家想象一下，如果是中國的方案取代了硅時代，那么一旦新的材料時代到來，芯片將會以新的面貌出現(xiàn)，芯片設(shè)計廠商、芯片設(shè)備廠商、晶圓加工廠商原有的壟斷格局將徹底打破，那么美國所擁有的半導體優(yōu)勢將全部清零。
這些方案包括石墨烯、碳納米管、碳化硅、氮化鎵等，其中無論是石墨烯、還是碳納米管或者碳化硅都是和碳原子有關(guān)，所以大部分國家都認為終結(jié)硅時代的會是碳時代。
作為地球上普遍存在的碳元素，與硅同屬一族，它們之間具有很多相似的性質(zhì)。碳基半導體具有成本更低、功耗更小、效率更高的優(yōu)勢，更適合在不同領(lǐng)域的應(yīng)用而成為更好的半導體材料選項。
而科學界普遍認為碳納米管自身的材料性能遠優(yōu)于硅材料，碳管晶體管的理論極限運行速度可比硅晶體管快5～10倍，而功耗卻降低到其1/10，因此是極佳的晶體管制備材料，這也是為什么中國會研究碳納米管的原因。
當然，也不僅僅是中國，美國多個科研團隊也都在研究碳納米管。制備碳納米管晶體管的傳統(tǒng)方式是對碳管材料進行摻雜處理，通過摻雜的雜質(zhì)控制晶體管的極性和性能。
此時，碳管由于內(nèi)部充滿雜質(zhì)，將會失去原本具有運行速度快的優(yōu)勢，同時還增加晶體管的功耗，相較傳統(tǒng)的硅材料徹底失去競爭力。在技術(shù)難題面前，Intel等公司紛紛放棄了碳管晶體管的研制，唯有IBM公司繼續(xù)研發(fā)，卻也只能研制出合格的P型晶體管。
而我們剛剛提到，在2017年的時候，彭練矛教授研究團隊創(chuàng)造性地研發(fā)了一整套高性能碳納米管晶體管的無摻雜制備方法，終于突破了N型碳納米管晶體管制備這一跨世紀難題，首次實現(xiàn)了5 nm柵長的高性能碳管晶體管，性能超越目前最好的硅基晶體管，接近量子力學原理決定的物理極限，有望將CMOS技術(shù)推進至3 nm以下技術(shù)節(jié)點。
碳管CMOS器件與傳統(tǒng)半導體器件的比較（A、基于碳管陣列的場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)示意圖，B～D、碳管CMOS器件與傳統(tǒng)材料晶體管的比較）
但這個時候又面臨一個更大的難題，碳納米管集成電路批量化制備的前提是實現(xiàn)超高半導體純度、順排、高密度、大面積均勻的碳納米管陣列薄膜對于以往的制造工藝，這樣的生產(chǎn)要求是難以達到的，材料問題的制約導致碳管晶體管和集成電路的實際性能遠低于理論預(yù)期，成為碳管電子學領(lǐng)域所面臨的最大的技術(shù)挑戰(zhàn)。
而這次彭練矛教授的突破就在于碳管電子學領(lǐng)域、以及碳基半導體工業(yè)化的共同難題被攻克，制備出首個超越相似尺寸的硅基CMOS的器件和電路，而這也意味著，如果碳基信息器件技術(shù)，可以充分利用碳管在物理、電子、化學和機械方面的特殊優(yōu)勢，就有希望生產(chǎn)出性能優(yōu)、功耗低的芯片。
高密度、高純度半導體碳管陣列的制備和表征
彭練矛表示。與國外硅基技術(shù)制造出來的芯片相比，我國碳基技術(shù)制造出來的芯片在處理大數(shù)據(jù)時不僅速度更快，而且至少節(jié)約30%的功耗。
這也意味著中國在這場終結(jié)硅時代的博弈中再也不是觀眾，也拿到了入場券，而且美國同屬于屬于第一梯隊，當然我們也必須承認，美國相較中國領(lǐng)先。
而日韓歐三國則處于第二梯隊，其他國家則只有當觀眾的份，重在參與的資格都沒有。
中國目前除了碳納米管之外，在石墨烯等多個新材料領(lǐng)域都取得了不錯的成績，而且依托于中國龐大的市場需求，容易催生新的產(chǎn)業(yè)，碳基技術(shù)在不久的將來可以應(yīng)用于國防科技、衛(wèi)星導航、氣象監(jiān)測、人工智能、醫(yī)療器械等多重領(lǐng)域。
中國目前也在大力倡導2025計劃，關(guān)注顛覆性新材料對傳統(tǒng)材料的影響。中國在這場博弈中不會和上一次一樣，連參與的機會都沒有，最起碼還是能分得一塊蛋糕的！
