由北京大学电子学系彭练矛院士和张志勇教授团队发表的研究进展把碳基半导体技术从实验室研究向工业化应用推进了一大步。此次在国际顶级科学期刊《Science》以长文形式刊登的题为“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-density semiconducting carbon nanotube arrays for high-performance electronics”）的论文报导了该团队最新发展的多次提纯和维度限制自组装方法，在四英寸基底上制备了密度高达120/微米、半导体纯度超过99.9999%、直径分布1.45±0.23 nm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技的晶体管和电路，突破了长期以来阻碍碳纳米管电子学发展的瓶颈，首次在实验上显示了碳纳米管器件和集成电路相对于传统技术的性能优势，显示了碳纳米管电子学在其他材料中鲜有的优势，为推进碳基集成电路的实用化和工业化发展奠定了基础。
《科学》期刊专注出版重要的原创性科学研究论文，为全世界最权威的学术期刊之一，接收文章的发表率只有不到10%。彭院士和张教授的团队多年致力于发展高性能碳基电子学，已经先后于2017年和2018年先后在《科学》期刊上发表过两篇论文，在《自然》子刊（“Nature Electronics” et al.）上发表多篇论文。其中2017年首次制备出栅长5纳米的碳管晶体管这一世界上迄今最小的高性能晶体管，综合性能比当时最好的硅基晶体管领先十倍，接近了量子极限。2018年，团队再次突破了传统的理论极限，发展出新原理的超低功耗的狄拉克源晶体管，能够满足未来超低功耗集成电路的需要。此次于5月22日《科学》刊发的文章中，阐述了团队克服了碳纳米管电子学领域面临的最大的困难和碳基半导体工业化最大的瓶颈，即基础制备材料中的难题，制备出超高半导体纯度、顺排、高密度、大面积均匀的碳纳米管阵列薄膜，进而制备出高性能的、首次超越相似尺寸的硅基CMOS器件和电路。
论文第一作者为北京大学电子系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，张志勇教授和彭练矛院士为文章的共同通讯作者，湘潭大学湖南省先进传感与信息技术创新研究院、浙江大学、北京大学纳光电子前沿科学中心等单位相关研究人员也参与了合作。该研究得到国家重点研发计划“纳米科技”重点专项、北京市科学技术委员、国家自然科学基金委等项目资助。
碳基信息器件技术充分利用碳纳米管等新型纳米半导体材料独特的物理、电子、化学和机械优势，有望产生性能优异、功耗低的信息处理芯片，更为灵敏、形态更为丰富的传感器，以及工作频段更高、速度更快的通信芯片，并有望实现这些功能芯片的在片三维集成，构建出性能更高、对抗能力更强的信息处理系统。我国在碳基信息电子器件领域具有扎实的基础和较强的研究能力，已处于世界先进水平，应充分抓住时间窗口，利用新技术的红利，形成全新的、自主的信息器件技术。
图1：密度达到100-200/微米、半导体纯度超过99.9999%的碳纳米管平行阵列
图2：高密度高纯半导体碳纳米管阵列的制备和表征。
采用多次聚合物分散和提纯(Multiple-Dispersion Sorting Process)技术得到超高纯度碳纳米管溶液，并结合维度限制自排列法(Dimension-Limited Self-Alignment)，在4寸晶圆上制备出了密度120/微米、半导体纯度高达99.99995%、直径分布1.45±0.23 nm的碳纳米管阵列（见图2），达到了超大规模碳纳米管集成电路的需求。
图3：高性能碳纳米管晶体管
图4：碳纳米管高速集成电路
基于此种材料，课题组批量制备了场效应晶体管和环形振荡器电路，100纳米栅长的碳基晶体管跨导和饱和电流分别达到0.9 mS/μm和1.3 mA/μm（VDD=1V，见图3），室温下亚阈值摆幅为90 mV/dec；批量制备出了五阶环形振荡器电路，成品率超过了50%，最高振荡频率达到8.06 GHz（见图4），远超已发表的基于纳米材料的电路，且首次超越相似尺寸的硅基CMOS器件和电路。
北京大学教授、中科院院士彭练矛
图丨中国电子报
北京大学电子系教授张志勇
图丨中国电子报
“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，更适合在不同领域的应用而成为更好的半导体材料选项。我们的碳基半导体研究是代表世界领先水平的。”彭练矛院士说。
以企业应用为例：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更快，而且至少节约30%的功耗。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执行危险系数更高的任务；谈到个人应用：碳基技术若应用到智能手机上，因其拥有更低的功耗，将使待机时间更加延长。“现在我们用手机看电影3个小时的可能就没电了。若将手机植入碳基技术的芯片，至少可以看上9个小时的电影都不会断电，且手机开多少个程序都不会出现卡顿。”北京元芯碳基集成电路研究院研发部负责人许海涛说。
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