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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( 二 )


经过几十年的发展 ， 基于碳基的集成电路技术即将进入2-3nm技术节点 ， 摩尔定律即将逼近物理极限的声音也成为业界主流, 后摩尔时代的纳电子科学与技术的研究变得日趋急迫 ， 非硅基纳电子技术的发展将可能从根本上影响到未来芯片和相关产业的发展 。
在若干可能的硅基替代技术中, 碳纳米管技术目前已被众多学者和包括 IBM 在内的大公司认为是最有可能成功的技术 。 碳纳米管可作为制备碳基半导体的材料 ， 这是一种以碳基纳米材料为基础发展而来的导电材料 。
然而 ， 碳纳米管集成电路批量化制备的前提是实现超高半导体纯度、顺排、高密度、大面积均匀的碳纳米管阵列薄膜 。
相较以往的制造工艺 ， 这样的生产要求是难以达到的 ， 材料问题的制约导致碳管晶体管和集成电路的实际性能远低于理论预期 ， 成为碳管电子学领域所面临的最大的技术挑战 。
制备出首个超越相似尺寸的硅基CMOS的器件和电路 ， 一直都是基础制备材料领域的梦想 。
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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中国科学院院士北京大学教授彭练矛 。 从2000年起 ， 彭练矛已在碳基纳米电子学领域坚守了近20年 ， 带领研究团队探究用碳纳米管材料制备集成电路的方法 ， 一路披荆斩棘 。 被誉为是国产碳芯片发展的领军人 。
北大张志勇教授-彭练矛教授课题组采用多次聚合物分散和提纯技术得到超高纯度碳管溶液 ， 并结合维度限制自排列法 ， 在4英寸基底上制备出密度为120 /μm、半导体纯度高达99.9999%、直径分布在1.45±0.23 nm的碳管阵列 ， 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 ， 从而达到超大规模碳管集成电路的需求 。
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大规模集成电路对碳管材料的要求：碳纳米管集成电路批量化制备的前提是实现超高半导体纯度（>99.9999%）、顺排、高密度（100～200 /μm）、大面积均匀的碳纳米管阵列薄膜 。
课题组从市售的碳纳米管开始 ， 将其置于甲苯溶剂中 ， 并在其中加入聚合物 ， 然后将其放入离心机中对包覆的纳米管进行分选 。 再重复该过程两次 ， 进一步对它们进行分选 ， 结果得到99.9999%的纳米管溶液 ， 比之前采用的方法达到的99.99%有所改进 。 研究人员表示 ， 通过多次重复该过程 ， 可以进一步提高纳米管的选择率 。
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高密度、高纯度半导体碳管阵列的制备和表征
基于这种材料 ， 批量制备出场效应晶体管和环形振荡器电路 ， 100nm栅长碳管晶体管的峰值跨导和饱和电流分别达到0.9mS/μm和1.3mA/μm（VDD=1 V） ， 室温下亚阈值摆幅为90mV/DEC 。
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高性能碳管晶体管
批量制备出五阶环形振荡器电路 ， 成品率超过50% ， 最高振荡频率8.06GHz远超已发表的基于纳米材料的电路 ， 且超越相似尺寸的硅基CMOS器件和电路 。
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碳管高速集成电路
据彭练矛团队介绍 ， 碳纳米管作为一种新型纳米半导体材料 ， 在物理、电子、化学和机械方面 ， 具备特殊优势 。 早在2018年 ， 他们就利用碳纳米管网络薄膜作为材料 ， 在超薄柔性衬底上制备出高性能的CMOS电子器件 ， 并成功地将传感集成系统应用于人体信息监测 。
彭练矛和张志勇所在的北京碳基集成电路研究院在接受媒体采访时表示 ， 碳基技术有着比硅基技术更优的性能和更低的功耗 ， 性能功耗综合优势在5到10倍 ， 这意味着碳基芯片性能比相同技术节点的硅基芯片领先三代以上 。


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