机器之心|北大与MIT硬核较量：后摩尔时代，“碳基半导体”成为中美竞逐新焦点
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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 。
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 ， 布局多少？
撰文 | 吴昕、力琴
编辑 | 四月
一 中美集成电路的前沿焦点
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-彭练矛教授课题组提出针对「碳纳米管」的全新的提纯和自组装方法 。
制备出高密度高纯半导体阵列碳纳米管材料 ， 并在此基础上首次实现了性能超越同等栅长硅基CMOS技术的晶体管和电路 ， 展现出碳管电子学的优势 。
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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 。 北京大学电子系教授、中国科学院院士彭练矛表示 ， 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 。
5月22日,相关研究成果在线发表于《Science》（第368卷6493期850～856页） ， 以《用于高性能电子学的高密度半导体碳纳米管平行阵列》（Aligned, high-densitysemiconducting carbon nanotube arrays for high-performance electronics）为题 。
电子学系2015级博士研究生刘力俊和北京元芯碳基集成电路研究院工程师韩杰为并列第一作者 ， 张志勇和彭练矛为共同通讯作者 。
紧随其后 ， 来自麻省理工学院的研究则进一步放大了碳纳米管在工业场景的商业化潜力 。
6月1日 ， 麻省理工学院电气工程和计算机科学助理教授Max Shulaker团队展示了如何在200毫米的标准晶圆上批量制造碳纳米管场效应晶体管(CNFETs) ， 其成果以《工业硅生产设备中碳纳米管场效应晶体管的制备》（Fabrication of carbon nanotube field-effect transistors in commercial silicon manufacturing facilities）为题发表在《Nature》子刊《Nature Electronics》杂志上 。
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在商用硅代工厂内整合碳纳米管场效应晶体管
他们在基于制造CNFET沉积技术的改进 ， 与传统方法相比 ， 将制造进程加快了1100多倍 ， 同时也降低了生产成本 。 该技术将碳纳米管边对边地沉积在晶圆上 ， 14400×14400的阵列CFNET分布在多个晶圆上 。
目前 ， 该团队在两个不同的工厂成功地测试了这种新方法 ， 包括 Analog Devices公司经营的商业硅制造工厂和SkyWater Technology公司经营的大批量半导体代工厂 。
二 碳基材料的核心难题被中国团队攻克
现代信息技术的基石是集成电路芯片, 而构成集成电路芯片的器件中90%是源于硅基 CMOS技术 。
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