半导体|中国碳基半导体研究团队再登顶刊！为3nm制程提供另一种选择( 二 ) 芯片|IBM|纳米

我国的碳纳米材料研发起步较早，近期北大团队的研究成果更是在全世界范围内“先声夺人” 。在“自研”的重要性被外力无限放大的今天，碳纳米管技术方面的优势不容忽视。
碳纳米管半导体到底是什么？用碳纳米管做替代可行吗？这是不是一招妙棋？这就是智东西今天要回答的问题。
一、偶然被发现的半导体产业“明日之子”半导体早期发展阶段，晶体管由锗制作。发现锗材料制成的芯片难以承受高温工作条件后，研究人员翻开元素周期表，选出与锗属于同族、储量更足、耐热性更好的硅成为替代。
相比硅材料的“按图索骥” ，碳基半导体材料被发现要偶然得多。碳纳米管由碳分子管状排列而成，可看作是由单层石墨卷成了一个“圆筒” ，需要由石墨棒等碳材料经特殊方法制备而成。
1991年，日本物理学家饭岛澄男就职于日本筑波市的NEC（日本电气）基础研究所，专长于纳米科学、电子显微镜学等领域。
当时，饭岛用高分辨透射电子显微镜，观测用电弧法产生的碳纤维产物，意外发现了碳纳米管。饭岛澄男曾在美国、日本指导大量中国学生， 2011年，饭岛澄男当选为中国科学院外籍院士。
▲饭岛澄男
通过对碳纳米管材料的研究，人们发现它具有相比硅基材料更为优异的半导体特性，特别是在高迁移率、纳米尺寸、柔性、通透性、生物可兼容性方面。这些优异特性意味着碳基集成电路将具备高速率、高能效的优势。
基于上述性能优势，相比硅基晶体管，碳纳米管晶体管具有5～10倍的速度和能耗优势，适合用于高端电子学应用、高频器件应用、光通讯电路应用、柔性薄膜电子学应用。
二、二十余年成长史：IBM/斯坦福纷纷入局饭岛澄男的发现开启了对碳纳米管这种材料的研究，也为碳纳米管的半导体应用买下伏笔。在实际应用方面， IBM是“第一个吃螃蟹的勇士” 。
1998年， IBM研究人员制作出首个可工作的碳纳米管晶体管。从那以后很长时间， IBM一直对碳纳米管晶体管表现出浓厚兴趣。
2012年， IBM研究人员制造出一个沟道长度为9nm的碳纳米管晶体管。这是世界上首个可以在10nm节点以下工作的晶体管。同年， IBM基于标准半导体制程，研究出将超1万个碳纳米管晶体管集成到一颗芯片中的技术。
▲IBM制备的9nm沟道长度碳纳米管晶体管示意图
2014年， IBM更是抛出豪言壮语，称要在2020年之前利用碳纳米管制备出比其时芯片快5倍的半导体芯片。 2017年， IBM研究将碳纳米管晶体管尺寸推进40nm 。 IBM还曾组建一支专攻碳纳米管半导体技术研发的团队，就在IBM的T·J·华盛顿研究中心，由Wilfried Haensch领导。
▲IBM碳纳米管项目负责人Wilfried Haensch
除IBM外，斯坦福、麻省理工、英特尔等机构也纷纷上马碳纳米管技术研究。
2013年，斯坦福大学研究团队用178个碳纳米管晶体管制造出一个碳基芯片。当时，斯坦福研究人员评论称：也许有一天硅谷会变成碳谷。
▲斯坦福大学2013年制造出的碳基芯片
2015年，英特尔科技分析师Rob Willoner透露，英特尔正考虑在未来芯片技术中使用碳纳米管晶体管。
2019年，麻省理工学院研究人员与芯片制造商Analog Devices合作，制造出全球首个全功能、可编程的16位RISC-V架构碳基处理器。该处理器能够完整地执行整套指令集。它还执行了经典的“Hello ， World！”程序的修改版本，打出了“Hello World！I am RV16XNano ， made from CNTs（你好，世界！我是RV16XNano ，由碳纳米管制成）” 。
▲麻省理工研究团队制造出的16位RISC-V架构碳基处理器
2019年7月， DARPA召开“电子复兴计划” 。斯坦福–麻省理工的碳纳米管项目获得资助。