碳基芯片或许能让中国半导体真正实现“弯道超车”
1947年，贝尔实验室演示了世界上第一个基于锗半导体的晶体管，标志着信息时代的开启。1954年，硅晶体管问世，随后成为集成电路技术的主流。60多年后，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？
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-彭练矛教授课题组突破了半导体碳纳米管关键的材料瓶颈，使其制备出的器件和电路在真实电子学表现上首次超过了硅基产品。
北京大学电子系教授、中国科学院院士彭练矛表示，这是碳基集成电路兑现其理论潜力的第一步。虽然碳基纳米材料在2009年就作为未来技术选项列入国际半导体技术发展路线图（ITRS），美国IBM公司仿真结果认为平面结构碳管阵列晶体管领先硅基5个技术节点，但至此，半导体碳纳米管集成电路才算拿出了比肩传统技术的真实表现，远远领先其他非硅半导体材料，包括所谓的第三代半导体。
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。
研究人员透露，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。
当前，在加工技术没有太高成熟度时，碳基芯片，可以作为硅基芯片的补充，增强硅基芯片的功能或者性能，或者用于某些特殊场合。例如，碳基集成电路可以实现柔性、透明等新形态芯片，在显示、医疗和健康监控、抗辐射等特殊环境、以及近红外成像等领域具有应用前景。但如果能真正成熟，碳基芯片将有望把集成电路技术推进到3纳米节点以下，而且性能超越硅基芯片10倍以上。
北大物理电子学研究所教授张志勇透露，这次在碳管材料上取得的进展，至少可以在国际上保持两年优势。该团队的下一个目标，是在2-3年内完成90纳米碳基CMOS先导工艺开发，性能上相当于28纳米硅基器件。虽然不是高端技术节点，但却是可以进入市场的门槛。
自新型冠状病毒肺炎疫情爆发以来，传感器专家网一直密切关注疫情进展，根据国家及地方政府的最新调控与安排，为更好的服务相关企业，在疫情期间，传感器专家网免费发布企业相关文章，免费成为传感器专家网认证作者，请点击认证，大家同心协力，抗击疫情，为早日打赢这场防控攻坚战贡献自己的一份力量。
查看全文
刘小飞
传感器科技领域资深作者，以独特的视角、深度的调查分析看传感器世界。
作者最近更新
-
异味传感器和激光雷达在国内智慧公厕中的应用刘小飞
2020-10-06
-
霍尼韦尔称研发出世界上性能最高的量子计算机刘小飞2020-06-24
-
Lidar制造商禾赛推出用于自动驾驶汽车的新型盲点探测传感器刘小飞2020-06-24
评论0条评论