碳基芯片或许能让中国半导体真正实现“弯道超车”

近日,北京大学碳基电子学研究中心、纳米器件物理与化学教育部重点实验室张志勇教授-彭练矛教授课题组刚刚突破了半导体碳纳米管关键的材料瓶颈,使其制备出的器件和电路在真实电子学表现上首次超过了硅基产品。

  1947年,贝尔实验室演示了世界上第一个基于锗半导体的晶体管,标志着信息时代的开启。1954年,硅晶体管问世,随后成为集成电路技术的主流。60多年后,当摩尔定律逼近物理极限,硅芯片制程工艺的天花板触手可及,集成电路产业将走向何方?这是全球从业者亟待思考和做出决策的问题,同时也是大国科技竞赛的重要砝码,谁率先找到另辟蹊径的新方向,便意味着获得「弯道超车」赛道的门票。

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  传统芯片玩家试图通过软件和算法寻求出路,一些研究者则在材料源头进行创新。在「替代硅」新材料的冗长候选名单中,碳纳米管凭借与硅同属族元素,具备多种相似性质基础,并且较前者具备更好的工艺兼容性,成为发展下一代晶体管集成电路的最理想材料。

  当然,在这个最具希望的集成电路前沿赛道上,中美两国同样在进行着意味深长的竞赛与角逐。中国基于硅基CMOS技术的传统芯片产业一直处于被西方「卡脖子」的相对落后的境地。那么在硅以外的新材料集成电路领域,中国的胜算几何?

  近日,北京大学碳基电子学研究中心、纳米器件物理与化学教育部重点实验室张志勇教授-彭练矛教授课题组突破了半导体碳纳米管关键的材料瓶颈,使其制备出的器件和电路在真实电子学表现上首次超过了硅基产品。

  北京大学电子系教授、中国科学院院士彭练矛表示,这是碳基集成电路兑现其理论潜力的第一步。虽然碳基纳米材料在2009年就作为未来技术选项列入国际半导体技术发展路线图(ITRS),美国IBM公司仿真结果认为平面结构碳管阵列晶体管领先硅基5个技术节点,但至此,半导体碳纳米管集成电路才算拿出了比肩传统技术的真实表现,远远领先其他非硅半导体材料,包括所谓的第三代半导体。

  这一成果,解决了长期困扰碳基半导体材料制备的瓶颈,如材料的纯度、密度与面积问题,成为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。

  研究人员透露,用碳管制成的芯片,有望使用在手机和5G微基站中。更广泛地,碳基技术可应用于国防科技、卫星导航、气象监测、人工智能、医疗器械等多重领域。

  当前,在加工技术没有太高成熟度时,碳基芯片,可以作为硅基芯片的补充,增强硅基芯片的功能或者性能,或者用于某些特殊场合。例如,碳基集成电路可以实现柔性、透明等新形态芯片,在显示、医疗和健康监控、抗辐射等特殊环境、以及近红外成像等领域具有应用前景。但如果能真正成熟,碳基芯片将有望把集成电路技术推进到3纳米节点以下,而且性能超越硅基芯片10倍以上。

  北大物理电子学研究所教授张志勇透露这次在碳管材料上取得的进展,至少可以在国际上保持两年优势。该团队的下一个目标,是在2-3年内完成90纳米碳基CMOS先导工艺开发,性能上相当于28纳米硅基器件。虽然不是高端技术节点,但却是可以进入市场的门槛。

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刘小飞

传感器科技领域资深作者,以独特的视角、深度的调查分析看传感器世界。