彭練矛：碳基新材料助力芯片產(chǎn)業(yè)“彎道超車(chē)”

文/ 本刊記者 鄭茂典

芯片是信息科技的基礎(chǔ)與推動(dòng)力，是當(dāng)今工業(yè)時(shí)代的核心產(chǎn)業(yè)。目前芯片產(chǎn)業(yè)已經(jīng)上升至國(guó)家戰(zhàn)略高度，十四五規(guī)劃建議指出，十四五期間的產(chǎn)業(yè)發(fā)展將更加注重“補(bǔ)短板”，努力實(shí)現(xiàn)高端芯片、底層算法、高端制造等重點(diǎn)行業(yè)中關(guān)鍵領(lǐng)域的自主可控。然而，現(xiàn)有的硅基芯片制造技術(shù)即將觸碰其極限，碳納米管技術(shù)被認(rèn)為是后摩爾技術(shù)的重要選項(xiàng)。

大到航空航天、金融保險(xiǎn)、衛(wèi)生醫(yī)療等領(lǐng)域，小到智能手機(jī)、家用電器等數(shù)碼家電所使用芯片絕大部分采用硅基材料的集成電路技術(shù)，該領(lǐng)域的最新技術(shù)進(jìn)展被國(guó)外廠家長(zhǎng)期壟斷，國(guó)內(nèi)所需要的高端芯片則大多依賴(lài)進(jìn)口。經(jīng)過(guò)多年研究與實(shí)踐，北京大學(xué)碳基團(tuán)隊(duì)與北京元芯碳基集成電路研究院解決了長(zhǎng)期困擾碳基半導(dǎo)體材料制備的瓶頸，如材料的純度、密度與大面積制備問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了從0到1的突破，從無(wú)到有地發(fā)展了整套自主的碳芯片技術(shù)。由中國(guó)科學(xué)院院士彭練矛、北京大學(xué)碳基電子學(xué)研究中心教授張志勇帶領(lǐng)的科研技術(shù)團(tuán)隊(duì)，經(jīng)過(guò)二十多年研究，取得了一系列突破性進(jìn)展，該項(xiàng)成果已被收錄在國(guó)際頂級(jí)期刊《科學(xué)》中。

從硅基“換道”碳基 材料“未到”自己做

2020年，課題組突破了半導(dǎo)體碳納米管關(guān)鍵的材料瓶頸，使其制備出的器件和電路在真實(shí)電子學(xué)表現(xiàn)上首次超過(guò)了對(duì)應(yīng)的硅基技術(shù)。

彭練矛認(rèn)為，這是碳基集成電路兌現(xiàn)其理論潛力的第一步。雖然碳基納米材料在2009年就作為未來(lái)技術(shù)選項(xiàng)列入國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展路線圖（ITRS），美國(guó)IBM公司仿真結(jié)果認(rèn)為平面結(jié)構(gòu)碳管陣列晶體管領(lǐng)先硅基5個(gè)技術(shù)節(jié)點(diǎn)，但至此，半導(dǎo)體碳納米管集成電路才算拿出了比肩傳統(tǒng)技術(shù)的真實(shí)表現(xiàn)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先其他非硅半導(dǎo)體材料。

集成電路涉及復(fù)雜而漫長(zhǎng)的生態(tài)鏈，后續(xù)的互聯(lián)、封裝、測(cè)試并非團(tuán)隊(duì)擅長(zhǎng)的環(huán)節(jié)。從硅基換道碳基，張志勇教授表示，想要走通這條新路，早已做好了面對(duì)很多“坑”的準(zhǔn)備。

事實(shí)上，這次取得的突破屬于材料領(lǐng)域，也并非該團(tuán)隊(duì)的“老本行”?！拔覀兪悄弥牧县?fù)責(zé)設(shè)計(jì)和制造晶體管的，只是等材料太久沒(méi)有等到，才自己做了?！睆堉居抡f(shuō)。

最初的7年里，彭練矛、張志勇團(tuán)隊(duì)按照國(guó)際上的主流路徑，一路“跟車(chē)”，磕磕碰碰，終于在2007年形成了基礎(chǔ)性的碳管制備技術(shù)，在碳基芯片領(lǐng)域正式入場(chǎng)。在“跟車(chē)”的這段時(shí)間里，他們始終沒(méi)有等到碳管材料領(lǐng)域出現(xiàn)重大突破，于是接下去的10年里，課題組放棄傳統(tǒng)摻雜工藝，研發(fā)了一整套高性能碳納米管晶體管的無(wú)摻雜制備方法，突破碳基N型MOS管制備的難題。

2017年，團(tuán)隊(duì)首次制備出柵長(zhǎng)5納米的晶體管，為世界上迄今最小的高性能晶體管，理論上相比當(dāng)時(shí)同尺寸的硅基晶體管具有10倍本征性能功耗綜合優(yōu)勢(shì)，成果首次登上《科學(xué)》雜志。2018年，團(tuán)隊(duì)在超低功耗晶體管上取得了重要突破，發(fā)明了“冷源”晶體管，為集成電路發(fā)展的另外一個(gè)瓶頸——功耗提出了全新的解決方案，該成果使團(tuán)隊(duì)第二次登上《科學(xué)》雜志。

團(tuán)隊(duì)這種提純技術(shù)，在聚合物選擇、多次提純工藝和聚合物分離方面進(jìn)行了許多改進(jìn)。雖然是進(jìn)軍不熟悉的領(lǐng)域，課題組團(tuán)隊(duì)潛心研究，最終在國(guó)際上實(shí)現(xiàn)超越。

碳基半導(dǎo)體 讓中國(guó)芯“彎道超車(chē)”

據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)每年進(jìn)口芯片的花費(fèi)超過(guò)3000億美元，甚至超過(guò)了進(jìn)口石油的花費(fèi)。采用硅以外的材料做集成電路，包括鍺、砷化鉀、石墨烯和碳，一直是國(guó)外半導(dǎo)體前沿的研究熱點(diǎn)。而碳基半導(dǎo)體則具有成本更低、功耗更小、效率更高的優(yōu)勢(shì)。

研究團(tuán)隊(duì)在進(jìn)行碳基半導(dǎo)體的研制

8英寸晶圓上的碳納米管陣列材料

國(guó)家“奮進(jìn)新時(shí)代”主題成就展中，北大碳基作為創(chuàng)新型國(guó)家成果進(jìn)行展示。

碳基半導(dǎo)體是個(gè)全新的起點(diǎn)，尚沒(méi)有任何國(guó)家和團(tuán)隊(duì)建立起絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，而彭練矛、張志勇團(tuán)隊(duì)在材料和晶體管性能方面技術(shù)領(lǐng)先。在芯片產(chǎn)業(yè)自主可控愈益緊迫的當(dāng)下，碳納米管或能成為中國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)“變道超車(chē)”的機(jī)會(huì)。

彭練矛院士表示：“我們的碳基半導(dǎo)體研究是代表世界領(lǐng)先水平的，而碳基半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)化的推動(dòng)，須由政府主導(dǎo)，產(chǎn)業(yè)界配合。我們只能在小規(guī)模上慢慢努力，當(dāng)然新的可能性有可能帶來(lái)新的前景，也有失敗的可能性。但除了碳管技術(shù)，其他材料離硅技術(shù)還差的遠(yuǎn)。碳納米管是已經(jīng)展示出的最有前景的技術(shù)。從我們20年工作經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)可能阻止這項(xiàng)技術(shù)推進(jìn)的障礙?！?/p>

彭練矛介紹說(shuō)，短期來(lái)講，5G技術(shù)的來(lái)臨將使城市變成“智慧城市”，信息化、工業(yè)化、城鎮(zhèn)化深度融合，市民衣食住行會(huì)發(fā)生很大改變，幸福指數(shù)也會(huì)隨之升高?！爸腔鄢鞘小彪x不開(kāi)海量的數(shù)據(jù)運(yùn)算，需要有強(qiáng)大處理能力的芯片支撐。“智慧城市”的背后，是一個(gè)個(gè)處理速度更快、體積更小、功耗更低、性能更好的芯片組成的電子高速通道網(wǎng)。5G之后的6G技術(shù)將對(duì)芯片有更高要求，碳基芯片無(wú)疑將成為支撐基于這些技術(shù)運(yùn)行的智慧城市發(fā)展的最佳選擇。

碳基集成技術(shù)具有更好的工藝兼容性，可以實(shí)現(xiàn)柔性、透明等新形態(tài)芯片。與國(guó)外硅基技術(shù)制造出來(lái)的芯片相比，我國(guó)碳基技術(shù)制造出來(lái)的芯片在處理大數(shù)據(jù)時(shí)不僅速度更快，而且至少節(jié)約30%的功耗。碳基技術(shù)在不久的將來(lái)可以應(yīng)用于國(guó)防科技、衛(wèi)星導(dǎo)航、氣象監(jiān)測(cè)、人工智能、醫(yī)療器械等多重領(lǐng)域。

健康醫(yī)療、可穿戴電子設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)和生物兼容性器件……彭練矛建議，碳基半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)化可以優(yōu)先從這些領(lǐng)域突破。他表示，由于碳基材質(zhì)的特殊性，它能讓電路做到像創(chuàng)可貼一樣柔軟，這樣的柔性器械在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，可以充分利用碳基材料能彎曲、折疊、扭曲、壓縮、拉伸甚至變成任意形狀的特點(diǎn)，制作成柔性電子檢測(cè)傳感器。同時(shí)碳基傳感器的靈敏度非常高，可以對(duì)癌癥、心腦血管疾病、遺傳疾病和傳染病等做出早期診斷。值得關(guān)注的是，碳基傳感器成本低易于推廣，體積小便于攜帶，同時(shí)，在一些高輻射、高溫度的極端環(huán)境里，采用碳基技術(shù)制造出的機(jī)器人將更好的代替人類(lèi)執(zhí)行危險(xiǎn)系數(shù)更高的任務(wù)。

面對(duì)未來(lái)，彭練矛認(rèn)為，要在相關(guān)技術(shù)成熟后著手產(chǎn)業(yè)化投入?！疤蓟夹g(shù)有望全方位影響現(xiàn)有半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)格局。我國(guó)應(yīng)抓住這一歷史機(jī)遇，從材料開(kāi)始，總結(jié)過(guò)往經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)發(fā)展碳基芯片，實(shí)現(xiàn)中國(guó)芯的彎道超車(chē)?！?/p>