彭练矛院士：碳基技术可望实现芯片千倍性能提升 在5G、6G时代前景诱人

“随着产品的不断更迭，15年之后，碳基芯片有望凭借其高性能、低功耗和多样性的优势，随着产品更迭逐渐成为主流芯片技术！”——中国科学院院士彭练矛

早前，在由深圳市科学技术协会主办，深圳市高层次人才联谊会、深圳市新材料行业协会承办的“2021年深圳市新材料新能源技术和产业发展论坛”上，中国科学院院士彭练矛就北京大学研究团队在碳纳米管CMOS技术方面的部分研究成果作了《碳基集成电路产业化前瞻》的主题报告。
碳纳米管或将成为集成电路支撑材料
在半导体发展初期，晶体管由锗制作，很快就被硅取代。发展到今天，硅基芯片已到达工艺极限——3nm，更小的制程和更小的晶体管，会让硅基芯片出现漏电效应和短沟道效应。因此半导体行业亟需可与硅基材料相媲美的材料，碳纳米管顺势进入公众的视野。
碳纳米管又名巴基管，是一种具有特殊结构的一维量子材料，主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管。其层与层之间保持固定的距离，约0.34nm，直径一般为2-20 nm。
1991年，日本物理学家饭岛澄男在高分辨透射电子显微镜下检验石墨电弧设备中产生的球状碳分子时，意外发现了由管状的同轴纳米管组成的碳分子，即碳纳米管。经过七年不间断的深入研究与测试，在1998年，IBM研究人员制作出首个可工作的碳纳米管晶体管。

彭练矛院士介绍道，碳纳米管主要有以下4个方面的特点：
1.特殊且完美的一维结构，极大压抑了背散射，是一种低功耗的弹道运输。
2. 拥有理想的无悬挂键结构，优异的化学稳定性、超洁净的表面使得它具有极高的栅效率。
3. 极高的载流子迁移率以及超小的本征电容，能够高速响应。
4. 超薄的导电通道、极好的静电控制，无短沟道效应，性能接近理论极限的亚5纳米平面晶体管。

图片来源：智东西
“碳纳米管作为未来集成电路的支撑材料，仍有不少问题亟需解决。”如2009年ITRS提出的“碳纳米管5+”挑战等，需要逐一解决。彭练矛院士表示，经过近二十年的努力，彭练矛院士带领的北京大学研究团队现已基本解决ITRS提出的”碳纳米管5+”挑战，实现了整套的碳纳米管集成电路和光电器件制备技术。
他分析认为，碳纳米管技术现存的根本性挑战是掺杂难题。
据了解，2005年Intel公司一项关于碳纳米管技术的评估数据显示，碳管的p型器件性能已经超过了硅基PMOS器件，然而碳管n型器件性能远低于其p型器件和硅基NMOS器件。因此Intel公司得出结论：采用传统的半导体掺杂工艺，无法制备出性能超越硅基CMOS的碳纳米管器件。
“我们的团队于2007年发展了全新的碳纳米管无掺杂CMOS技术，性能接近了理论极限，全面超越了硅基CMOS器件。”据介绍，彭练矛院士带领的北京大学研究团队已经发展了整套碳基CMOS集成电路无掺杂的制备技术，制作出了栅长仅为5nm的碳晶体管，尺寸方面与硅基相当，综合性能却超过了硅基的十倍还多。

5G、6G时代为碳基技术带来发展机遇
尽管5G时代已经来临，但目前中国5G技术主要使用的是Sub-6GHz频段，导致频段非常拥挤。“不断发展的5G技术和未来的6G技术要求提供大量可使用的连续频段，但这些频段只在90GHz之上才存在。因此，发展能够在90-300GHz工作的半导体技术变得愈发重要。”会上，彭练矛院士指出了碳基技术在未来通信技术发展中的机遇点。
“2020年北京大学团队的实验室芯片已进入太赫兹（THz）阶段。”他表示，具有高频段下应用潜力的碳管射频晶体有望用于5G毫米波乃至太赫兹（THz）频段，已经发表（自然-电子，2021，Vol.4, page:405）的实验结果远超美国同类器件的最好水平（自然-电子，2019，Vol. 2, page: 530）：电路放大截止频率ft=540GHz（中国），75GHz（美国）；功率放大截止频率 fmax=306GHz（中国），102GHz（美国)。
他预测，未来的碳纳米管CMOS电路、太赫兹（THz）射频晶体管、气体和生物传感器件、柔性电子电路、以及碳基电子、光电子、等离激元器件的三维单片集成等领域均有良好的产业化前景。
彭练矛院士还介绍了碳纳米管未来在抗辐照电路中的应用前景。“未来的飞行器将到达火星甚至更远的深空，而外太空充斥着各种各样强大的能量粒子和干扰信号，因此芯片抗辐照的性能非常重要。碳纳米管材料具有抗辐照的优势，将它与适合的衬底结合，例如采用极薄的聚合物衬底，可以减少高能粒子的作用，大幅度提高芯片抗辐照能力。”
促进数万亿的半导体产业
“碳基技术有望全方位促进现有半导体技术发展，比如美国斯坦福学者的计算表明在三维结合存储和逻辑器件的碳基芯片,相较目前硅基芯片，有望实现上千倍的性能提升。”
根据美国半导体行业协会（SIA）发布的半导体产业报告显示，2019年全球半导体营收达到了4123亿美元，其中美国占47%，中国大陆占5%。但美国企业平均研发投入为16.4%，中国大陆只有8.3%。从贸易数据来看，美国半导体出口460亿美元，中国大陆进口3056亿美元。
“半导体产业的规模接近3万亿人民币，其中集成电路占比最大，达到了3000多亿美元。半导体技术是芯片的基础，没有芯片就没有中国的现代化。无疑这是一个值得大家卯足劲去研究去探索的重要领域。”彭练矛院士最后总结道。

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