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近日,由中科院院士、北京大学教授彭练矛和张志勇教授带领的科研团队,经过多年科研探索在碳基半导体制备材料研究领域取得突破性进展,该科研成果近日发表在国际权威学术期刊《科学》上。该团队在四英寸基底上制备出密度高达每微米120根、半导体纯度超过99．9999%的碳纳米管平行阵列,并在此基础上首次实现了性能超越同等栅长硅基CMOS的晶体管和电路,成功突破了长期以来阻碍碳纳米管电子学发展的瓶颈,半导体行业有望迎来全新拐点。
研究取得突破 国内半导体行业迎来拐点
长期以来,英特尔和台积电等晶圆厂商,都使用硅基技术生产芯片。但当下的硅基芯片技术,即将碰触极限。而在地球上普遍存在的碳元素,和硅是同族元素,二者化学属性和物理属性也非常相似,如完全按照现有二维平面框架设计,相比硅基技术,碳管技术具备15代的技术优势。相较于传统硅基技术,碳基半导体具有成本更低、功耗更小、效率更高的优势,因此也被视作是性能更好的半导体材料。与国外硅基技术制造出来的芯片相比,我国碳基技术制造出来的芯片在处理大数据时不仅速度会更快,而且至少能节约30%左右的功耗。
斯坦福大学的研究也表明,碳管技术有望将常规的二维硅基芯片技术,发展成三维芯片技术。这至少能将当前芯片的综合能力,提升1000倍以上。因此,碳管也是公认的、最理想的硅晶替代品。 据中国电子报消息,目前,大到航空航天、金融保险、卫生医疗等领域,小到智能手机、家用电器等数码家电所使用芯片绝大部分采用硅基材料的集成电路技术,该项技术被国外厂家长期垄断,国内电子产品所需要的芯片则大多依赖进口。据统计,中国每年进口芯片的花费高达3000亿美金,甚至超过了进口石油的花费。采用硅以外的材料做集成电路,包括锗、砷化钾、石墨烯和碳,一直是国外半导体前沿的技术。而碳基半导体则具有成本更低、功耗更小、效率更高的优势。 据彭练矛院士先容,其碳基半导体研究处于世界领先水平。碳基技术在不久的将来可以应用于国防科技、卫星导航、气象监测、人工智能、医疗器械等多重领域。由于碳基材质的特殊性,它能让电路做到像创可贴一样柔软,这样的柔性器械,如果应用于医疗领域将使患者拥有更加舒适的检查体验;因碳基材质特点,在一些高辐射、高温度的极端环境里,采用碳基技术制造出的机器人将更好的代替人类实行危险系数更高的任务;碳基技术若应用到智能手机上,将降低功耗,使待机时间大幅延长。
由于我国碳基技术起步较早,目前的技术是基于二十年前彭练矛院士提出的无掺杂碳基CMOS技术发展而来。近年来取得了一系列突破性的进展和关键突破,效率更高成本更低,将极大地提升了我国在世界半导体行业的话语权。 在碳基技术有技术积累并有望取得先发优势的国内标的企业有: 丹邦科技:其自主研发的多层柔性量子碳基半导体薄膜具有多层石墨烯结构,将在智能手机、柔性OLED新一代显示、柔性半导体器件、大功率器件、动力电池等领域广泛应用,是世界上唯一有能力生产大面积两面都有带隙碳基薄膜材料的企业。 楚江新材:产品涵盖碳基、陶瓷基复合材料,全资子企业顶立科技具备第三代半导体材料碳化硅单晶从装备、材料到制品的一整套技术储备和产业化能力。 银龙股份:企业旗下天津聚合碳基研究院专注于碳材料的研究及应用。 据悉,彭练矛院士所在的北京碳基集成电路研究院,是我国碳管技术的主要研究单位,该单位由北京市科委和北京大学共建。彭练矛表示,用碳管制成的芯片,有望使用在手机和5G基站中,且来自HUAWEI的技术人员出席了研究院的发布会。目前,研究院正在和HUAWEI等国内厂商对接,未来不排除HUAWEI等国内厂商,在芯片中使用碳管的可能。 我国在碳基半导体研究的另辟蹊径,有望打破几十年的硅基技术跟随。在以美国为首的高科技封堵大幕正悄悄拉开,让大家更加期待HUAWEI等头部高科技企业加入强强联合的碳基半导体英雄联盟,快速打通尖端技术产学研用的通道。
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发表于 2020-8-26 15:24:58