碳納米管晶體管可幫助發(fā)展新一代超強(qiáng)抗輻照集成電路技術(shù)

就在兩天前，北京大學(xué)一支碳納米半導(dǎo)體材料研究團(tuán)隊(duì)登上全球頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然·電子學(xué)》，該課題組研發(fā)出一種可“抗輻射”的碳納米管晶體管和集成電路，可用于航天航空、核工業(yè)等有較強(qiáng)輻照的特殊應(yīng)用場(chǎng)景。此項(xiàng)研究成果意味著我國(guó)碳基半導(dǎo)體研究成功突破抗輻照這一世界性難題，為研制抗輻照的碳基芯片打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

“碳納米管（CNT）具有優(yōu)異的電學(xué)性能、準(zhǔn)一維晶格結(jié)構(gòu)、化學(xué)穩(wěn)定性好、機(jī)械強(qiáng)度高等特點(diǎn)，是構(gòu)建新型CMOS晶體管和集成電路的理想半導(dǎo)體溝道材料，有望推動(dòng)未來電子學(xué)的發(fā)展。并且，由于碳納米管具有強(qiáng)碳-碳共價(jià)鍵、納米尺度橫截面積、低原子數(shù)等特點(diǎn)，可以用來發(fā)展新一代超強(qiáng)抗輻照集成電路技術(shù)。但如何將碳納米管的超強(qiáng)抗輻照潛力真正發(fā)揮出來，卻是全世界科學(xué)家面臨的幾大難題之一。”聯(lián)合研究組成員、北京大學(xué)碳基電子學(xué)中心副主任張志勇教授說。

其實(shí)，這已經(jīng)是這支團(tuán)隊(duì)今年第二度登上頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊。早在5月份，這支團(tuán)隊(duì)就憑借一種創(chuàng)新的碳納米管晶體管制備方法登頂《科學(xué)》。那么，這種頻頻受到頂級(jí)期刊青睞的“碳納米管晶體管”到底是什么？又有什么研究意義？

要搞清這個(gè)問題，還要從半導(dǎo)體行業(yè)的黃金定律“摩爾定律”說起。

摩爾定律預(yù)言，集成電路上可容納的晶體管數(shù)目約每隔兩年會(huì)增加一倍。只要芯片上晶體管的數(shù)目按照預(yù)言增加，芯片行業(yè)就能穩(wěn)吃紅利。

可惜的是，摩爾定律指明了半導(dǎo)體行業(yè)應(yīng)該追逐的方向，但沒有指出一條道路。

從1995年開始，對(duì)晶體管尺寸即將達(dá)到極限的預(yù)言不斷被拋出。為了阻止“摩爾定律將終結(jié)”這把懸頂之劍落下，一部分學(xué)界、業(yè)界研究者幾番力挽狂瀾，通過改進(jìn)晶體管架構(gòu)、改良制造設(shè)備來為摩爾定律“續(xù)命”。

另一邊，一群“特立獨(dú)行”的的研究者卻把目光放在了半導(dǎo)體材料上。他們提出，干脆換用其他材料制備晶體管，放棄硅基材料這盤“死棋”。而在眾多替代材料中，碳納米管材料最被看好。今年五月份，我國(guó)北京大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)在制備碳納米管方面取得了世界先進(jìn)性成果，有望把芯片制程推進(jìn)3nm以下！就在兩天前，北京大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)在碳納米半導(dǎo)體材料方面的最新進(jìn)展又被學(xué)術(shù)期刊《自然·電子學(xué)》收錄。

其實(shí)早在2008年，ITRS研究報(bào)告曾明確指出，未來的研究重點(diǎn)應(yīng)聚焦于碳基電子學(xué)。

除了是芯片產(chǎn)業(yè)的“明日之子”，碳納米管晶體管對(duì)我國(guó)芯片產(chǎn)業(yè)更有別樣的意義。今年，美國(guó)對(duì)我國(guó)的芯片技術(shù)的進(jìn)出口管制進(jìn)一步收緊。華為首當(dāng)其沖，而華為背后是整個(gè)國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)艿搅藳_擊。

我國(guó)的碳納米材料研發(fā)起步較早，近期北大團(tuán)隊(duì)的研究成果更是在全世界范圍內(nèi)“先聲奪人”。在“自研”的重要性被外力無限放大的今天，碳納米管技術(shù)方面的優(yōu)勢(shì)不容忽視。

碳納米管半導(dǎo)體到底是什么？用碳納米管做替代可行嗎？這是不是一招妙棋？這就是今天要回答的問題。

一、偶然被發(fā)現(xiàn)的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)“明日之子”

半導(dǎo)體早期發(fā)展階段，晶體管由鍺制作。發(fā)現(xiàn)鍺材料制成的芯片難以承受高溫工作條件后，研究人員翻開元素周期表，選出與鍺屬于同族、儲(chǔ)量更足、耐熱性更好的硅成為替代。

相比硅材料的“按圖索驥”，碳基半導(dǎo)體材料被發(fā)現(xiàn)要偶然得多。碳納米管由碳分子管狀排列而成，可看作是由單層石墨卷成了一個(gè)“圓筒”，需要由石墨棒等碳材料經(jīng)特殊方法制備而成。

1991年，日本物理學(xué)家飯島澄男就職于日本筑波市的NEC（日本電氣）基礎(chǔ)研究所，專長(zhǎng)于納米科學(xué)、電子顯微鏡學(xué)等領(lǐng)域。

當(dāng)時(shí)，飯島用高分辨透射電子顯微鏡，觀測(cè)用電弧法產(chǎn)生的碳纖維產(chǎn)物，意外發(fā)現(xiàn)了碳納米管。飯島澄男曾在美國(guó)、日本指導(dǎo)大量中國(guó)學(xué)生，2011年，飯島澄男當(dāng)選為中國(guó)科學(xué)院外籍院士。

通過對(duì)碳納米管材料的研究，人們發(fā)現(xiàn)它具有相比硅基材料更為優(yōu)異的半導(dǎo)體特性，特別是在高遷移率、納米尺寸、柔性、通透性、生物可兼容性方面。這些優(yōu)異特性意味著碳基集成電路將具備高速率、高能效的優(yōu)勢(shì)。

基于上述性能優(yōu)勢(shì)，相比硅基晶體管，碳納米管晶體管具有5——10倍的速度和能耗優(yōu)勢(shì)，適合用于高端電子學(xué)應(yīng)用、高頻器件應(yīng)用、光通訊電路應(yīng)用、柔性薄膜電子學(xué)應(yīng)用。

二、二十余年成長(zhǎng)史：IBM/斯坦福紛紛入局

飯島澄男的發(fā)現(xiàn)開啟了對(duì)碳納米管這種材料的研究，也為碳納米管的半導(dǎo)體應(yīng)用買下伏筆。在實(shí)際應(yīng)用方面，IBM是“第一個(gè)吃螃蟹的勇士”。

1998年，IBM研究人員制作出首個(gè)可工作的碳納米管晶體管。從那以后很長(zhǎng)時(shí)間，IBM一直對(duì)碳納米管晶體管表現(xiàn)出濃厚興趣。

2012年，IBM研究人員制造出一個(gè)溝道長(zhǎng)度為9nm的碳納米管晶體管。這是世界上首個(gè)可以在10nm節(jié)點(diǎn)以下工作的晶體管。同年，IBM基于標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體制程，研究出將超1萬個(gè)碳納米管晶體管集成到一顆芯片中的技術(shù)。

2014年，IBM更是拋出豪言壯語，稱要在2020年之前利用碳納米管制備出比其時(shí)芯片快5倍的半導(dǎo)體芯片。2017年，IBM研究將碳納米管晶體管尺寸推進(jìn)40nm。IBM還曾組建一支專攻碳納米管半導(dǎo)體技術(shù)研發(fā)的團(tuán)隊(duì)，就在IBM的T·J·華盛頓研究中心，由Wilfried Haensch領(lǐng)導(dǎo)。

除IBM外，斯坦福、麻省理工、英特爾等機(jī)構(gòu)也紛紛上馬碳納米管技術(shù)研究。

2013年，斯坦福大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)用178個(gè)碳納米管晶體管制造出一個(gè)碳基芯片。當(dāng)時(shí)，斯坦福研究人員評(píng)論稱：也許有一天硅谷會(huì)變成碳谷。

2015年，英特爾科技分析師Rob Willoner透露，英特爾正考慮在未來芯片技術(shù)中使用碳納米管晶體管。

2019年，麻省理工學(xué)院研究人員與芯片制造商Analog Devices合作，制造出全球首個(gè)全功能、可編程的16位RISC-V架構(gòu)碳基處理器。該處理器能夠完整地執(zhí)行整套指令集。它還執(zhí)行了經(jīng)典的“Hello，World！”程序的修改版本，打出了“Hello， World！I am RV16XNano，made from CNTs（你好，世界！我是RV16XNano，由碳納米管制成）”。

2019年7月，DARPA召開“電子復(fù)興計(jì)劃”。斯坦福–麻省理工的碳納米管項(xiàng)目獲得資助。

半導(dǎo)體廠商巨頭、學(xué)術(shù)研究領(lǐng)先者紛紛下注碳基半導(dǎo)體，再次反證了碳納米管材料在半導(dǎo)體領(lǐng)域的巨大潛能。

但是，這并不代表著對(duì)碳納米管半導(dǎo)體技術(shù)的研發(fā)會(huì)一帆風(fēng)順。1998年首個(gè)碳納米管晶體管研發(fā)至今，碳納米管半導(dǎo)體技術(shù)一直遭遇材料上的瓶頸。長(zhǎng)期以來，最小碳納米管CMOS器件的柵長(zhǎng)停滯在20nm（2014年 IBM）。

具體來說，為了滿足大規(guī)模高性能集成電路的要求，需要碳納米管晶體管同時(shí)滿足兩個(gè)要求：

1、排列和密度方面，需要一種高取向陣列方法，要求在1微米中放下100至200根碳納米管，以保證晶體管數(shù)目；

2、純度方面，需要半導(dǎo)體純度大于99.9999%、或者金屬型碳管含量小于0.0001%，以保證半導(dǎo)體性。

目前，在碳納米管半導(dǎo)體領(lǐng)域發(fā)展較好的外國(guó)企業(yè)是美國(guó)存儲(chǔ)芯片制造商N(yùn)antero。根據(jù)Nantero官方信息，該公司計(jì)劃于今年晚些時(shí)候推出基于碳納米管晶體管的NRAM產(chǎn)品。

三、我國(guó)的碳基半導(dǎo)體研究“風(fēng)景獨(dú)好”

國(guó)外碳納米管半導(dǎo)體材料研發(fā)停滯不前六七年。有媒體報(bào)道稱，IBM的碳納米管研發(fā)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)黯然解散，相關(guān)人員大多進(jìn)入高校進(jìn)行學(xué)術(shù)研究。

反觀我國(guó)，我國(guó)的碳納米材料研究起步較早。1997年，北京大學(xué)成立全國(guó)第一個(gè)納米科技研究機(jī)構(gòu)：北京大學(xué)納米科學(xué)與技術(shù)研究中心。

2002年，清華大學(xué)吳德海教授團(tuán)隊(duì)和美國(guó)倫斯勒理工學(xué)院P.M.Ajayan教授合作，首次制備出利用浮動(dòng)化學(xué)氣相沉積方法制備直徑約為300至500微米的碳納米管束。

同年，清華大學(xué)范守善教授團(tuán)隊(duì)報(bào)道了從碳納米管陣列拉絲制備碳納米管纖維的方法。除了這些成就，據(jù)2014年數(shù)據(jù)，我國(guó)有超過1000家高校和科研所從事碳納米材料研究活動(dòng)，在碳納米材料的研究方面不斷創(chuàng)新。

碳納米管半導(dǎo)體技術(shù)研發(fā)方面，相比國(guó)外一卡六七年的狀況，我們頗有些“這邊風(fēng)景獨(dú)好”的意思。

中國(guó)碳基納電子器件代表研究機(jī)構(gòu)有中科院、北京大學(xué)、清華大學(xué)等。今年5月份，北京大學(xué)發(fā)起的北京元芯碳基集成電路研究院，在權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《Science》上發(fā)表一種全新的碳納米管制備方法，首次同時(shí)實(shí)現(xiàn)了碳納米管晶體管的高密度、高純度要求。

使用該方法制備的碳納米管純度可達(dá)到99.9999%，陣列密度達(dá)到120/微米。通過這一技術(shù)，研究人員有望將集成電路技術(shù)推進(jìn)到3nm節(jié)點(diǎn)以下！

這個(gè)消息一經(jīng)公布，我國(guó)從事碳納米材料研發(fā)、生產(chǎn)的幾家企業(yè)股票紛紛開漲。代表的有楚江新材、銀龍股份旗下碳基研究院、中科電氣、丹邦科技等。

在這些公司中，丹邦科技可以算是我國(guó)碳基半導(dǎo)體領(lǐng)域的一支強(qiáng)勁力量。丹邦科技成立于2001年，專門從事?lián)闲噪娐放c材料的研發(fā)和生產(chǎn)，是深圳證券交易所中小板上市企業(yè)。

2019年，丹邦科技自主研發(fā)的TPI量子碳基薄膜成功試生產(chǎn)。作為世界上唯一具備TPI量子碳基薄膜量產(chǎn)能力的企業(yè)，據(jù)稱其技術(shù)已被蘋果、華為看中。有消息稱華為已經(jīng)進(jìn)入中試階段。

TPI量子碳基薄膜具有多層石墨烯結(jié)構(gòu)，主要用于5G手機(jī)、芯片、筆電、柔性屏散熱等使用場(chǎng)景。

6月30日，丹邦科技披露了其2019年年度報(bào)告。數(shù)據(jù)顯示，2019年丹邦科技營(yíng)業(yè)收入為約3.47億元，其中PI膜業(yè)務(wù)約占167萬，占比0.48%。

碳基材料有望挑起未來半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)“大梁”

按照國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展路線圖委員會(huì)（ITRS）預(yù)測(cè)，硅基半導(dǎo)體的性能將在2020年左右達(dá)到物理學(xué)極限。

2020年，最先進(jìn)的芯片制程節(jié)點(diǎn)推進(jìn)5nm。5nm之后，全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)何去何從？哪怕不是2020年，硅基晶體管的尺寸極限終將到來，到那時(shí)芯片產(chǎn)業(yè)又該怎么辦？

面對(duì)硅基材料的尺寸極限，換用碳基材料不失為一個(gè)方法。我國(guó)北大研究團(tuán)隊(duì)在制備碳納米管晶體管方面取得的成就正是把碳基半導(dǎo)體向產(chǎn)業(yè)應(yīng)用推進(jìn)了一步，也有助于我國(guó)為“摩爾定律將終結(jié)”的預(yù)言未雨綢繆。

在北大團(tuán)隊(duì)發(fā)表《Science》論文后的6月1日，麻省理工學(xué)院的碳納米管研究也取得進(jìn)展。根據(jù)發(fā)表在《自然·電子學(xué)》上的論文，麻省理工研究人員證明了碳納米管可以在工廠量產(chǎn)。

從1991年被發(fā)現(xiàn)至今，碳納米管技術(shù)一直在穩(wěn)步發(fā)展?；蛟S在未來，碳基材料將成為半導(dǎo)體領(lǐng)域“挑大梁”般的存在，讓我們拭目以待。
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