彭練矛：碳基新材料助力芯片產業“彎道超車”

文/ 本刊記者 鄭茂典

芯片是信息科技的基礎與推動力，是當今工業時代的核心產業。目前芯片產業已經上升至國家戰略高度，十四五規劃建議指出，十四五期間的產業發展將更加注重“補短板”，努力實現高端芯片、底層算法、高端制造等重點行業中關鍵領域的自主可控。然而，現有的硅基芯片制造技術即將觸碰其極限，碳納米管技術被認為是后摩爾技術的重要選項。

大到航空航天、金融保險、衛生醫療等領域，小到智能手機、家用電器等數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，該領域的最新技術進展被國外廠家長期壟斷，國內所需要的高端芯片則大多依賴進口。經過多年研究與實踐，北京大學碳基團隊與北京元芯碳基集成電路研究院解決了長期困擾碳基半導體材料制備的瓶頸，如材料的純度、密度與大面積制備問題，實現了從0到1的突破，從無到有地發展了整套自主的碳芯片技術。由中國科學院院士彭練矛、北京大學碳基電子學研究中心教授張志勇帶領的科研技術團隊，經過二十多年研究，取得了一系列突破性進展，該項成果已被收錄在國際頂級期刊《科學》中。

從硅基“換道”碳基 材料“未到”自己做

2020年，課題組突破了半導體碳納米管關鍵的材料瓶頸，使其制備出的器件和電路在真實電子學表現上首次超過了對應的硅基技術。

彭練矛認為，這是碳基集成電路兌現其理論潛力的第一步。雖然碳基納米材料在2009年就作為未來技術選項列入國際半導體技術發展路線圖（ITRS），美國IBM公司仿真結果認為平面結構碳管陣列晶體管領先硅基5個技術節點，但至此，半導體碳納米管集成電路才算拿出了比肩傳統技術的真實表現，遠遠領先其他非硅半導體材料。

集成電路涉及復雜而漫長的生態鏈，后續的互聯、封裝、測試并非團隊擅長的環節。從硅基換道碳基，張志勇教授表示，想要走通這條新路，早已做好了面對很多“坑”的準備。

事實上，這次取得的突破屬于材料領域，也并非該團隊的“老本行”?！拔覀兪悄弥牧县撠熢O計和制造晶體管的，只是等材料太久沒有等到，才自己做了。”張志勇說。

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

2017年，團隊首次制備出柵長5納米的晶體管，為世界上迄今最小的高性能晶體管，理論上相比當時同尺寸的硅基晶體管具有10倍本征性能功耗綜合優勢，成果首次登上《科學》雜志。2018年，團隊在超低功耗晶體管上取得了重要突破，發明了“冷源”晶體管，為集成電路發展的另外一個瓶頸——功耗提出了全新的解決方案，該成果使團隊第二次登上《科學》雜志。

團隊這種提純技術，在聚合物選擇、多次提純工藝和聚合物分離方面進行了許多改進。雖然是進軍不熟悉的領域，課題組團隊潛心研究，最終在國際上實現超越。

碳基半導體 讓中國芯“彎道超車”

據統計，中國每年進口芯片的花費超過3000億美元，甚至超過了進口石油的花費。采用硅以外的材料做集成電路，包括鍺、砷化鉀、石墨烯和碳，一直是國外半導體前沿的研究熱點。而碳基半導體則具有成本更低、功耗更小、效率更高的優勢。

研究團隊在進行碳基半導體的研制

8英寸晶圓上的碳納米管陣列材料

國家“奮進新時代”主題成就展中，北大碳基作為創新型國家成果進行展示。

碳基半導體是個全新的起點，尚沒有任何國家和團隊建立起絕對優勢，而彭練矛、張志勇團隊在材料和晶體管性能方面技術領先。在芯片產業自主可控愈益緊迫的當下，碳納米管或能成為中國半導體產業“變道超車”的機會。

彭練矛院士表示：“我們的碳基半導體研究是代表世界領先水平的，而碳基半導體產業化的推動，須由政府主導，產業界配合。我們只能在小規模上慢慢努力，當然新的可能性有可能帶來新的前景，也有失敗的可能性。但除了碳管技術，其他材料離硅技術還差的遠。碳納米管是已經展示出的最有前景的技術。從我們20年工作經驗來看，也沒有發現可能阻止這項技術推進的障礙。”

彭練矛介紹說，短期來講，5G技術的來臨將使城市變成“智慧城市”，信息化、工業化、城鎮化深度融合，市民衣食住行會發生很大改變，幸福指數也會隨之升高。“智慧城市”離不開海量的數據運算，需要有強大處理能力的芯片支撐?！爸腔鄢鞘小钡谋澈螅且粋€個處理速度更快、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。5G之后的6G技術將對芯片有更高要求，碳基芯片無疑將成為支撐基于這些技術運行的智慧城市發展的最佳選擇。

碳基集成技術具有更好的工藝兼容性，可以實現柔性、透明等新形態芯片。與國外硅基技術制造出來的芯片相比，我國碳基技術制造出來的芯片在處理大數據時不僅速度更快，而且至少節約30%的功耗。碳基技術在不久的將來可以應用于國防科技、衛星導航、氣象監測、人工智能、醫療器械等多重領域。

健康醫療、可穿戴電子設備、物聯網和生物兼容性器件……彭練矛建議，碳基半導體產業化可以優先從這些領域突破。他表示，由于碳基材質的特殊性，它能讓電路做到像創可貼一樣柔軟，這樣的柔性器械在醫學領域，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，制作成柔性電子檢測傳感器。同時碳基傳感器的靈敏度非常高，可以對癌癥、心腦血管疾病、遺傳疾病和傳染病等做出早期診斷。值得關注的是，碳基傳感器成本低易于推廣，體積小便于攜帶，同時，在一些高輻射、高溫度的極端環境里，采用碳基技術制造出的機器人將更好的代替人類執行危險系數更高的任務。

面對未來，彭練矛認為，要在相關技術成熟后著手產業化投入?！疤蓟夹g有望全方位影響現有半導體產業格局。我國應抓住這一歷史機遇，從材料開始，總結過往經驗，通過發展碳基芯片，實現中國芯的彎道超車。”