遵循摩爾定律這一半導體業(yè)界的軌道，硅基半導體芯片的性能每隔18到24個月便會提升一倍。但隨著芯片尺寸不斷縮小，特別是當芯片制造工藝水平進入5nm節(jié)點，甚至逼近2nm以后，因為受到材料、器件和量子物理的限制，硅基芯片逼近物理極限，就會出現(xiàn)量子隧穿導致的漏電效應和短溝道效應等問題。硅芯片的潛力被質疑“殆盡”，碳基半導體則被認為是后摩爾時代的顛覆性技術之一。

根據(jù)IBM研究，10nm技術節(jié)點后碳納米管芯片在性能和功耗方面都將比硅芯片有明顯改善。從硅基7nm到5nm技術，芯片速度大約提升20％，而相比硅基7nm技術，碳納米管基7nm技術的芯片速度將提升300％。

硅基半導體的路上，我們難以越過“光刻機”的大山。但如果換條路，我國在碳基半導體上能否“扶搖直上九萬里”？

碳基半導體的優(yōu)勢

碳基半導體是一種在碳基納米材料的基礎上發(fā)展出的，以石墨烯、碳納米管，碳納米纖維，納米碳球等為主的材料，其中最有希望完成硅基替代的是碳納米管和石墨烯。它們被認為是后摩爾時代的新曙光，我們來具體看一下碳基半導體的優(yōu)點。

比硅基芯片更低的極限

碳納米管未來要做到5nm以下工藝才能與硅基競爭，但再往后看，我們知道硅基芯片的極限在1nm左右，臺積電現(xiàn)在已經在攻克2nm工藝了，瀕臨極限，硅基芯片結束似乎是遲早的事情，但碳基芯片不同。

碳基芯片可以做到更低。硅材料晶體管在10nm以下便會失去穩(wěn)定性，比于硅晶體管，石墨烯等碳晶體管優(yōu)勢在于其晶體管晶格高度穩(wěn)定，即使在單碳原子厚度下還能穩(wěn)定工作。

碳基有著比硅基更優(yōu)的性能和更低的功耗。

硅基芯片制造中最難的是用光刻機刻蝕出電極形狀，然后通過離子注入機參雜，實現(xiàn)電子型半導體和空穴型半導體。

而碳基芯片制造則完全避開這一復雜的步驟，只需要采用金屬鉛作為接觸電極，便得到空穴型半導體。簡單來說，碳基芯片工藝更加簡潔，無需光刻機，完全是另外一個賽道。而且，碳基芯片擁有超薄導電通道、極高穩(wěn)定性和高載流子遷移率，從而大幅降低芯片功耗。

碳基芯片由碳基晶圓打造而來，碳基晶圓的基礎則是石墨烯半導體材料。石墨烯的發(fā)現(xiàn)堪稱科學奇跡，它的厚度只有0．335nm，相當于一根頭發(fā)的20萬分之一，但它卻比鋼鐵還硬上200倍。

并且石墨烯具有載流子遷移率高和熱導率好等優(yōu)良特性。石墨烯的導電性比硅強100倍，導熱性比銅強10倍，這使得石墨烯晶體管可獲得高的信號傳輸速度和良好的散熱性。未來，石墨烯有望在實現(xiàn)更小尺寸芯片、3D封裝互連和優(yōu)化芯片散熱等方面發(fā)揮重要作用，獨特的材料屬性使它將擔大任。

石墨烯做成碳基芯片性能將會是硅基芯片的10倍，但功耗卻能降到四分之一，比如采用90nm工藝的碳基芯片有望制備出性能和集成度相當于28nm技術節(jié)點的硅基芯片，采用28nm工藝的碳基芯片則可以實現(xiàn)等同于7納米技術節(jié)點的硅基芯片。

也就是說我們只要用28nm的光刻機，就能獲得全球最先進EUV光刻機的效果。

除了石墨烯，碳納米管的優(yōu)點也很明顯。碳基半導體材料就是將晶體管的溝道由硅變成了碳納米管，被稱為碳納米晶體管。賽迪智庫集成電路研究所研究員麻堯斌以碳納米管為例表明了碳基半導體具備的優(yōu)勢。“CNT（碳納米管）具有極高的載流子遷移率、非常薄的主體尺寸和優(yōu)良的導熱性?；贑NTFET處理器的工作速度和能耗相比于硅基處理器可均具有約3倍的優(yōu)勢，即9倍左右的能量延遲積（EDP）的優(yōu)勢。

碳基無摻雜CMOS電路非常適合在低溫下工作。2021年，北京大學團隊謝雨農等人實驗探索了碳納米管晶體管和電路在低溫下的工作特性，并發(fā)現(xiàn)當溫度從室溫降低至液氮蒸發(fā)溫度時，網絡碳管薄膜晶體管比單管器件和主流的硅基器件都具有更好的溫度穩(wěn)定性。

碳基的應用

美國較早開始探索石墨烯電子技術，美國國家科學基金會設立了眾多碳基電子基礎研究項目，涵蓋了碳基電子研究和應用的各個領域。開展了多項有關石墨烯、碳納米管、碳化硅的碳基電子技術研發(fā)項目，主要涵蓋石墨烯電子器件、石墨烯電路、石墨烯傳感器、石墨烯在量子開關等量子技術中的應用。

美國國防部先進研究計劃局（DARPA）在2018年啟動的“電子復興計劃”（ERI）中，投入高達15億美元的經費，希望從系統(tǒng)架構、電路設計和底層器件三個方面探索未來的集成電路技術，其中最大的項目就是支持相關學術團隊和芯片制造企業(yè)開展碳納米管集成電路技術的研究和產業(yè)化。

作為石墨烯的誕生地，歐洲十分注重在石墨烯應用領域的戰(zhàn)略布局。早在2013年1月，歐盟委員會就計劃把“石墨烯旗艦計劃”列為首批“未來新興技術旗艦項目”之一。設立了12個應用工作組負責材料應用、復合材料、光電子、電子設備、傳感器、生物醫(yī)藥、健康及環(huán)境等研究方向，來推進之后的應用落地。

日本政府也非常重視碳基電子技術的發(fā)展，鼓勵學術界和企業(yè)界從事相關研究工作，大力推動碳基電子技術商業(yè)化應用。日本經濟產業(yè)省資助開展“低碳社會實現(xiàn)之超輕、高輕度創(chuàng)新融合材料”研究，計劃投資９億日元探索碳納米管和石墨烯材料的批量合成技術。此外，日本日立、索尼、東芝等公司也投入了大量資源推動石墨烯的基礎研究和應用開發(fā)。

我國碳基半導體發(fā)展的怎么樣？

國家全力助陣碳基半導體的發(fā)展。2021年工信部以重大關鍵技術突破和創(chuàng)新應用需求為主攻方向，進一步強化產業(yè)政策引導，將碳基材料納入“十四五”原材料工業(yè)相關發(fā)展規(guī)劃，并將碳化硅復合材料、碳基復合材料等納入“十四五”產業(yè)科技創(chuàng)新相關發(fā)展規(guī)劃，以全面突破關鍵核心技術，攻克“卡脖子”品種，提高碳基新材料等產品質量，推進產業(yè)基礎高級化、產業(yè)鏈現(xiàn)代化。

來源：全球碳基電子技術發(fā)展態(tài)勢分析

我國北大科研人員從2007年就開始研究碳基芯片， 2017年1月，北京大學張志勇、彭練矛課題組，成功制備出5nm柵極碳納米管CMOS器件，發(fā)展出一種全新的提純和自組裝單層碳管的方法，單層碳管直徑為1．45±0．23nm，純度達99．99995％；在4英寸基底上獲得了間隔為5nm的垂直有序排列的碳管陣列；首次制備出這種高質量、高性能的碳管場效應薄膜，并以此制作出了場效應晶體管和環(huán)形震蕩電路（震蕩頻率在5．5 GHz以上）。這也是我國第一次掌握了世界最先進的晶體管技術。

它突破了碳管電子學的發(fā)展瓶頸，首次在實驗室中顯示出碳管器件和集成電路較傳統(tǒng)技術的性能優(yōu)勢，首次制作出了無摻雜的碳管CMOS晶體管，性能非常優(yōu)秀并遙遙領先傳統(tǒng)硅器件，為推進碳基集成電路的實用化發(fā)展奠定了基礎，它是制作5nm碳基芯片的根本技術，其工藝技術可以批量生產，其工藝技術世界領先。

2021年5月，北大團隊再次實現(xiàn)了碳基芯片的突破，找到了實現(xiàn)高純度碳納米管整齊排列的新工藝。如今我們8英寸石墨烯晶圓亮相，攻克了讓無數(shù)美國企業(yè)，望而卻步的石墨烯提純難題。

北京大學信息科學技術學院電子學系主任、中國科學院院士彭練矛說道，“我們在碳基集成電路這條路上走了20年，還沒有看到什么令我們覺得走不下去的障礙。”這番話不免讓大家燃起了芯片制造中國后來居上的希望。

走過千山萬水，仍需跋山涉水，碩果累累但也前路漫漫?？傊?，如果北大碳基芯片能順利開發(fā)，則有望助華為和中國芯片業(yè)繞開光刻機，制造出性能更優(yōu)越的碳基芯片。

“我們的碳基半導體研究是代表世界領先水平的?！迸砭毭硎?。我國的先進研究成果最終會落地到應用，碳基技術在不久的將來可以應用于國防科技、衛(wèi)星導航、氣象監(jiān)測、人工智能、醫(yī)療器械等多重領域。

由于碳基半導體能耗低，未來使用碳基芯片的手機電池續(xù)航能力會大大提高。同時，安裝了這種高效芯片后，未來手機的攝像頭性能也將大大增強。

此外，彭練矛的團隊已經在著手研究碳材料的醫(yī)用傳感器，用來檢測血壓、心跳和血糖等生化指標。由于碳材料與人體兼容性高，且有良好的柔韌性，這種傳感器可以完美貼合皮膚，讓人感覺不到它的存在。

碳基芯片技術的突破，將為整個中國的芯片領域發(fā)展帶來新的希望，為中國芯片突破西方封鎖、開啟自主創(chuàng)新時代開辟一條嶄新的道路，解開中國半導體行業(yè)頭上的一道緊箍咒。

美國貿易戰(zhàn)的威脅下，碳基芯片為中國芯片彎道超車提供了賽道，碳基芯片的核心元器件碳納米晶體管材料的研制成功，為我們提供了急需的超級跑車。如果有一天硅晶體管的尺寸將無法再縮小，芯片性能提升也將接近物理極限。那么碳管就會成為“柳暗花明”的轉折點，或許等碳管開始量產之時，正是國產芯片出頭之日。