碳基半導體潛在應用領域和產業難題_風聞

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　　一、碳基半導體潛在應用領域

　　（一）碳基芯片

　　碳基半導體制造的芯片器件類型與硅基半導體沒有大的差異，可大致將其分為：信息處理芯片、通信芯片和傳感器芯片三類。信息處理芯片包括CPU、GPU、張量處理器（TPU）、嵌入式神經網絡處理器（NPU）等，通信芯片包括5G基帶芯片、核心網絡芯片、信號處理芯片等。兩者都是未來人工智能、大數據、區塊鏈和5G等前沿技術所必需的，對設計精度、工藝製程、集成度和產能都有更高的要求，短時間內難以製造出相應的碳基器件。但傳感器芯片一般嵌入物聯網設備使用，如可穿戴設備使用的醫療傳感器芯片，這類芯片對製程和工藝要求較低，預計三至五年內就可能商用。

　　對芯片製造來説，碳納米管具備優秀的性能，但真正利用起來並不容易，特別是用於製備碳納米管晶體管。極小的碳納米管摻雜處理難度很高，但基於碳納米管的芯片技術仍取得了相當程度的進展。麻省理工學院聯合ADI公司的研究人員找到一種方法，設計出了複雜的工藝將碳納米管按照需要轉化成p型或者n型半導體。基於這種技術，該團隊用14000個碳納米管晶體管製造出16位處理器RV16X-NANO。該處理器採用RISC-V指令集，可在16位數據和地址上運行標準的32位指令。研究人員利用這一處理器運行程序，打出了“你好，世界！我是RV16XNano，由碳納米管制成”。

　　16位處理器RV16X-NANO

　　（二）碳基光電器件

　　碳納米管在推動光電器件發展上具備遠超硅基材料的特性。傳統的硅基材料是間接帶隙半導體，無法制備高性能的電致發光器件。作為一種直接帶隙的半導體材料，碳納米管具有優異的光電性能，可以同時實現電致發光器件和光電器件。在碳納米管的兩端分別採用鈧和鈀作為接觸電極，使電子和空穴在被注入到碳納米管中時或面臨零勢壘（正偏壓條件）或面臨接近碳納米管能隙的很大勢壘（負偏壓條件），從而實現高性能二極管。

　　碳納米管二極管在光照射下可以激發出電子空穴對，並在內建電場中被分開，從而實現高效率的納米光電二極管。但是單個二極管實現的光伏電壓較小，不具備實用價值。科研人員創造性地發展了碳納米管級聯電池（虛電極）技術，使單個二極管的光伏電壓超過1V，達到實際應用水平。研究成果表明在一根碳納米管上可以簡單地通過選用對稱電極實現CMOS器件，構建集成電路，通過非對稱電極（例如兩端分別由非對稱的n型和p型電極連接的碳納米管）即可實現紅外納米光源和光探測器，並可以通過虛電極的引入增加光電壓和探測效率。納米CMOS器件和光電器件在這個無摻雜集成工藝中自然地結合了起來，有望為納米電子和光電子電路的開發提供一個統一的平台，而電子和光電子器件的集成，特別是光通訊電路與高性能電子電路的集成有望極大地提高計算機系統的能力，為後摩爾時代的電子學帶來新一輪的繁榮。

　　（三）柔性電子器件

　　柔性電子是將有機/無機材料電子器件製作在柔性/可延性基板上的新興電子技術。相對於傳統電子，柔性電子具有更大的靈活性，能夠在一定程度上適應不同的工作環境，滿足設備的形變要求。除優異的電學性能外，石墨烯和碳納米管的光學、力學性能也使其適用於柔性電子器件的製造。其中，石墨烯具有輕薄、透明等特性；碳納米管具有柔韌性好、耐彎曲和疲勞強度高的特性。

　　碳基半導體材料有望在實際中滿足多種柔性電子器件的應用場景：柔性應變/壓力傳感器，該類傳感器通常由導電傳感元件與彈性聚合物或其他柔性/可拉伸基材（如纖維、紗線和紡織品）耦合組成，可通過應變/壓力刺激引起的導電元件間接觸電阻的變化，檢測材料應變或外界壓力；可穿戴器件，由於柔性電子器件具有很高的柔性和延展性，可與人體的外形特性和運動特性相匹配，並完成傳感、顯示等功能，應用於消費電子、醫療保健等行業，柔性能源系統，該類系統的定義為柔性甚至可伸縮的能源裝置，包括超級電容器、電化學電池（例如鋰電池、鈉電池和金屬空氣電池）、光伏裝置和發電機等；透明導電薄膜類應用，該類應用包括柔性觸摸板、柔性有機發光二極管（OLED）和柔性有機太陽能電池等。

　　柔性電子器件與人體“無縫貼合”

　　（四）生物醫學傳感器

　　碳納米管因其獨特的力學、電學和化學性能，在生物醫學傳感器領域有很大用武之地。碳納米管具有一定的吸附性，能與吸附的其他分子發生相互作用，從而引起宏觀電阻發生改變，因此可以將碳納米管製作成氣體傳感器，通過測量碳納米管電阻的變化來檢測氣體的成分。碳納米管傳感器與普通傳感器相比具有尺寸小、靈敏度高、反應快、表面積大、能在室温或更高温度下操作等優點，可製成最小生物醫學分子級氣敏元件，應用於病人呼吸監測，將會取得很好的效果。

　　同時，碳納米管在應力影響下容易發生網格結構和直徑變化，甚至螺旋度發生變化。由於螺旋度變化將影響碳納米管導電性的變化，因此可將碳納米管作為生物壓力傳感器，通過測定其電子特徵的不同來測定力學應力的大小。碳納米管傳感器可做成高靈敏的微型設備，能應用於一般壓力傳感器不易傳導的區域，如血管、淋巴系統、細胞等。

　　利用碳納米管的微型、靈敏、便攜帶的特性，將其做成生物醫學電磁傳感器注入人體，隨時監控電磁波對人體的影響，將在很大程度上減少電磁波對人體的傷害。同時醫務人員通過測量人體磁場的變化來判斷人體的生理變化，從而採取適當的方法進行治療。

　　二、碳基半導體的產業難題

　　（一）規模化、低成本製備生產難題

　　目前碳基材料的主要挑戰來源於規模化生產面臨的高可控性材料加工問題，即必須在絕緣襯底上定位生長出所需管徑大小的碳納米管半導體。網狀薄膜的碳納米管可以避免材料手性和位置控制問題，但是由於其性能的限制，只適合於柔性電子學等對器件和電路的速度和集成度要求不高的領域。基於平行碳納米管陣列材料的電子學雖然可以避開位置控制的要求，但是如何規模化生長緻密、均勻的純半導體型碳納米管仍面臨着巨大挑戰。雖然彭練矛院士團隊在碳基材料製備方面實現突破，使得碳納米管生長出現了可控制跡象，但這距離大規模製備碳納米管還有一定距離，限制其在更多領域開展應用。

　　此外，碳基半導體與硅基半導體的相關技術與工藝設備存在差異，雖然現有的硅基半導體加工設備有90%可以直接應用到碳基中，但部分工藝或設備需要調試，才能適配碳基半導體器件的生產。例如碳納米管材料的清洗、刻蝕等步驟需要特殊處理，碳納米管器件的模型也需單獨建立。

　　綜上，碳納米管晶體管尚處於實驗中少量製備的階段，無法滿足商業領域對碳納米管晶體管快速低成本製備需求。未來，還需進一步突破技術、成本限制，在設備和器件等工藝方面建立成熟的規範流程，降低成本，提高穩定性，向商用標準邁進。就中美碳基半導體整體發展狀況而言，我國在碳納米管材料以及高性能碳納米管晶體管制備方面領先美國，但美國在集成電路產業生態上具備優勢，在芯片設計工具、三維繫統架構設計、標準化規模化製造等方面領先。未來碳基需要與硅基技術結合以實現產業化，因此我國在碳基半導體產業化推進層面將需要克服比美國更多的困難。

　　（二）產學研合作難題

　　半導體產業鏈環節眾多，除材料製備外，還需要設計、製造、封裝等眾多工具和環節配合，形成生態鏈。當前，以中國北京大學彭練矛團隊、美國麻省理工學院舒拉克團隊為代表的研究團隊在碳基半導體領域取得一系列階段性進展，但半導體生態鏈的構建僅靠實驗室顯然是不夠的，必須實現產學研合作。

　　國外方面，碳基半導體材料研究領先院校美國麻省理工學院（MIT）在產學研合作方面做得比較好。MIT團隊的研究，除了有美國國防高級研究計劃局三維芯片系統計劃和美國空軍研究實驗室的官方支持，還有杜克大學等高校，以及ADI、SkyWater等半導體公司支持。美國公司和高校之間交流和流動性較好，公司普遍願意給高校投錢做項目，並會提出明確目標，讓高校定期彙報進度，共同推進技術產業化。

　　在碳基半導體研究上，美國佐治亞理工學院和杜克大學開發出工藝設計工具包（PDK）和電子設計自動化（EDA）軟件，為碳基芯片設計和開發提供軟件支持。ADI和SkyWater公司提供碳基芯片代工，SkyWater更是建造了世界首個碳納米管90nm芯片代工廠，為碳基芯片系統設計和工藝工程化提供硬件支持。MIT利用上述芯片設計工具，設計出包含約64000個碳納米管晶體管的存儲芯片，並在SkyWater的代工廠進行流片。雖然該芯片中存在金屬屬性碳納米管雜質過多的問題，但也為碳基芯片產業化展示了新的可能。

　　美國麻省理工學院（MIT）

　　中國方面，目前我國產業界中願意跟進的企業不多，產業界很難在一項技術還沒看到回報投資時進行投入，只有工程化、成熟化的技術，產業界才敢接手。國內公司更願意在研究成果成熟時和高校合作。例如，在通信領域，企業和高校的合作就較多，因為這些領域一般不涉及“卡脖子”的硬科技技術，通過改進算法或模型，就能出產品。而帶有不確定性的合作，短期內很難給公司帶來盈利，長期看又存在一定風險，公司就沒有給高校投錢的動力。但碳基半導體技術從實驗室到產業界，中間還需要進行工程化研究，其中面臨的挑戰包括資金的持續保證、理念的轉變以及與現有產業的兼容等，這些問題只依靠研究團隊是無法解決的。

　　以北京碳基集成電路研究院為例，如果該院要繼續推進碳基集成電路發展，按照該院當前200人的規模，再加上實驗平台，每年需要的資金約為2億元，並且需要確保十年以上的資金投入，約為20億元。考慮到十年中還不斷會有技術轉讓等創收，實際投資應小於20億元。但是，直到現在還沒有企業關注到該研究院的價值。北京碳基集成電路研究院院長彭練矛表示，學術界完成從0到1的創造之後，從1到無限的擴展必須由政府主導、產業界配合，才能推動這項革命性的技術真正落地。

　　（三）逆全球化阻礙全球半導體產業合作

　　半導體產業是一個需要全球化合作的產業。從產業鏈角度看，沒有一個國家能單獨把材料、裝備、製造、設計、封裝測試這五個產業鏈的主節點都掌握。從生態鏈角度看，更需要全球化合作，如果產品沒有需求方，或者類似美國對中國芯片進口限制，將會影響半導體生態鏈平衡發展。從技術角度看，半導體產業技術的快速迭代需要高強度投資，而高強度投資則需依靠多企業、多方面合作。然而，當今半導體產業湧動着逆全球化思潮，新冠疫情以來更是表現出愈發明顯的逆全球化趨向，其中以美國尤甚。

　　2017年特朗普剛上任時，總統科技顧問委員會就發佈一份名為《如何確保美國在半導體行業的長期領導地位》的報告。報告指出，中國正瞄準半導體設計和生產的全球領導地位，並利用國內穩步增長的半導體消費市場放大影響。報告認為美國半導體產業正面臨威脅，美國應該對中國半導體產業加以限制。隨後，美國開始在半導體領域強推逆全球化，迫使一些國家或地區站隊，如限制荷蘭ASML向中國晶圓廠出售EUV光刻機；限制日本信越、勝高向中企出售原材料；限制台積電給大陸企業提供代工服務等等。美國的這一系列舉措不僅會割裂全球半導體產業鏈，還會引發其他發達國家效仿。對於發展尚未成熟的碳基半導體行業，未來還需投入大量人力、物力構建全新的生態鏈，全球化合作將大大加快這一進程，而美國等國的逆全球化勢必對碳基半導體行業發展帶來不利影響。

　　三、碳基半導體對產業的意義

　　（一）碳基半導體為半導體產業升級創造良機

　　現代電子信息技術的基礎是集成電路芯片，而當前構成集成芯片的器件單元幾乎都是由硅基CMOS器件組成。幾十年來，產業界對硅基CMOS器件的發展策略是不斷縮小關鍵尺寸，提高集成度，從而實現功能更加強大、功耗更低、速度更快且成本更低的集成電路芯片。早期的芯片發展相對簡單，只需提升加工精度，根據等比原則簡單縮減器件橫向和縱向尺寸，就能實現性能的大幅度提升。但是近年來，維持芯片性能快速提升需要不斷引入新的結構和材料，場效應晶體管技術發展到今天，從最初發現時的簡陋結構演變成如今的主流結構已經過無數次優化，結構和工藝革新對芯片性能提升效果逐漸下滑。

　　通過碳基替代完成半導體產業升級是一條值得嘗試的發展路徑，但以硅基為核心的半導體產業鏈成熟而又發達，從半導體材料供應、設備製造到應用，整個上下游產業技術完全依賴硅基材料及現有的硅基知識產權體系。碳基半導體通過對硅基的底層替代完成半導體的內生革命，為整個半導體芯片發展提供了新的技術路徑選擇。但碳基半導體在初始階段，研發、製造成本高，工藝不及硅基半導體多年磨合形成的產業優勢。而且碳基半導體還需要產業鏈滿足三點要求：一是在保證規模化生產的同時，最大限度地降低成本；二是要能夠利用現有設備，不引入禁止的化學污染物或微粒；三是要實現比同等尺寸硅基更強的性能。產業發展有自身的連續性，碳基半導體如果發展至能與硅基並存的程度，則將產生“由硅至碳”的升級機遇，對半導體材料製備、芯片設計和製造的既有全球產業體系產生深遠影響。

　　（二）碳基半導體技術發展，將繼續推進全球電子產業高速發展

　　近年來，碳基半導體研究取得眾多進展，碳納米管電子學研究成果尤為顯著。碳納米管材料的半導體純度和質量在不斷提高，能夠得到越來越接近理想情況的半導體碳納米管材料來製備晶體管。在器件方面，研究人員對碳納米管晶體管的器件物理進行了系統深入研究，發展了碳納米管CMOS器件的可控制備方法，並且不斷優化柵介質和結構，進一步提升器件性能，通過縮減器件尺寸，實現了亞10nm的器件，在此基礎上探索並驗證了碳納米管器件的潛力。得益於材料自身的優良性質和廣泛的政策和資金支持，研發人員在碳納米管領域取得相當的成就，達到了其他納米材料從未到過的高度。

　　碳基半導體研究取得飛速發展的同時，也在逐漸從基礎研究轉向實際應用。研發人員不僅實現了具有各種功能的基礎邏輯單元，在集成電路方面，基於碳納米管晶體管構建的一系列基本邏輯單元和複雜電路，特別是碳納米管計算機的展示，讓業界看到了碳納米管晶體管以及碳納米管芯片的曙光。後摩爾時代碳基電子學若取得進一步研究成果，在低功耗、高性能或者特種集成電路中展示其潛力，則將為半導體產業發展譜寫新的光輝樂章。

　　未來第四次科技革命既需要人工智能、虛擬現實、大數據技術的鼎力支撐，也離不開半導體技術提供的硬件基礎。科技革命帶來信息和數據的再一次爆發式增長，對半導體技術的發展、芯片性能提出更多、更高的要求。此外，對數據存儲、處理和分析需求的增加，使得全球消耗在數據需求上的能源佔比快速提升。同時，對數據存儲、處理和分析需求的增加，使得全球消耗在數據需求上的能源佔比快速提升。硅基半導體芯片需提升芯片性能並降低能耗才有望支撐新一輪科技革命，但在受限於物理瓶頸，芯片難以繼續微縮的狀況下，每個芯片的算力無法提升、單位能耗無法繼續降低。而在科技革命對算力需求指數增長的情況下，將需要更多的硅基芯片來執行運算，也意味着數據處理所需的總能耗將呈指數增長，這是任何國家，甚至整個地球都無法承擔的負荷。

　　從能耗角度來看，硅基半導體也難以負擔第四次科技革命的期望。碳基半導體的材料特性為超低功耗的納米電子學開展，和未來超低功耗集成電路大規模應用創造了可能，新的科技革命有望依託碳基半導體帶來人類社會的又一次飛躍。

　　（三）碳基半導體為我國佈局半導體產業提供新的選擇

　　隨着摩爾定律對硅基半導體逐漸無能為力，通過快速技術升級提升半導體供應路線走不通，全球對半導體需求卻隨着5G技術採用、數據中心的擴張而快速增長，半導體行業供求關係出現倒掛。未來半導體產業地位愈發關鍵，而對半導體的投資、研發也將迎來黃金時刻。另一方面，技術發展帶動半導體芯片，如CPU、GPU、NPU等快速更迭，硅基半導體在提升半導體新芯片性能上越來越後繼無力，碳基半導體為芯片未來發展提供新的選擇。

　　傳統的硅基半導體技術正臨近發展極限，信息產業即將面對重要歷史轉折點，這也是中國信息產業界實現趕超的重大與難得的歷史機遇。伴隨着可移動智能設備、雲存儲和大數據處理的廣泛應用，迅速發展的信息產業對未來的半導體芯片和信息處理技術提出了前所未有的要求。為了延續摩爾定律和應對後摩爾定律時代，持續提升芯片性能，需要發展速度更快、能耗更低的新型半導體芯片；為了拓展正在快速崛起的可移動智能設備市場，同樣需要研製具備柔性、透明和生物可兼容等特性的新型芯片。最終放棄對一直作為信息產業基石的傳統硅材料的依賴，轉而尋求具有更高性能和更低能耗的非硅基替代材料已經成為人類必然的選擇，這將從根本上改變未來的半導體芯片和整個信息產業的發展。

　　當前，我國集成電路製造產業正處於高速發展期，在銷售規模、技術升級、產能擴展和規劃新生產線建設方面都取得顯著進展。但是，我國大陸集成電路製造業規模佔全球不到10%，製造技術水平與國際先進工藝技術還有近兩代差距，這與我國作為集成電路消費大國的地位嚴重不匹配。對此，進一步加速我國集成電路產業發展，提升我國集成電路製造技術水平仍然十分緊迫。

　　現今的芯片產業格局是，美國把控芯片設計和製造專利技術攫取最多利潤，日歐通過材料和製造設備供給控制上游，台灣地區和韓國佔據芯片製造的最終出口，我國極力從三者的縫隙和低端產品切入尋求突破。碳基半導體提供的底層技術路徑選擇意味着重組產業格局的難得機會，若能實現規模化應用，我國就能在碳基發展早期入局，從上游碳基材料製備、中游碳基芯片設計到下游碳基芯片製造多層次出手完善芯片產業架構，打破既有的全球芯片產業格局。

　　（四）碳基半導體是我國芯片產業發展的新機遇

　　半導體材料研究，尤其是採用硅以外的材料製備集成電路，包括鍺、碳、砷化鉀、石墨烯，一直是國外半導體前沿技術的關注重點。作為最有希望替代硅基的半導體材料，碳基半導體在材料、器件和電路領域取得相當的進展，已證明其巨大的潛在應用價值。

　　目前芯片絕大部分採用硅基材料的集成電路技術，高端芯片技術被國外廠家長期壟斷，中國每年進口芯片的花費高達3000億美元。加速以芯片為代表的半導體產業發展早已成為國家戰略，但在逆全球化和美國對我高科技產業封鎖的大背景下，我國現有的硅基半導體發展舉步維艱，多數集中在低利潤、低附加值的環節。硅基半導體制造需要設計、製造和封測三大環節，我國在技術含量最低的封測環節具備一定的研發和產業實力，但在設計和製造上差距很大。設計芯片所使用的EDA軟件，我國基本完全依賴國外的新思科技、楷登電子和明導國際三家企業；芯片製造環節則依靠台積電、三星、格芯和聯電，國內最先進中芯國際在製造工藝上與台積電相差兩代，而且中芯國際使用的光刻機設備受制於美國控制的ASML公司。

　　台灣積體電路製造股份有限公司

　　我國硅基半導體距國際領先水平差距很大，而且美國企圖利用其硅基半導體產業優勢，對我國高科技發展道路實施封堵，依循舊有的硅基半導體產業發展道路追趕註定充滿坎坷。彭練矛院士認為，在碳基半導體產業化推進上，若具備實驗條件和有經驗的團隊，樂觀估計大致需要3-5年時間，即可完成碳納米管晶圓製備能力完善、標準工藝研發、碳納米管CMOS晶體管的結構優化和穩定性改進、EDA平台和設計方法建立、完整的碳基三維集成工藝研發等工作，並形成確定技術節點（如90nm或45nm）的碳基三維芯片設計和製造能力，進而完成碳基中試生產線，奠定碳基集成電路產業化基礎。若保守估計，從碳基芯片的自動化設計工具、製造設備、封裝測試和人才的招募與培養等方向全面佈局，則有望在10年內將碳基技術初步推向實用。

　　我國在碳基半導體研發上與西方國家站在同一起跑線，擁有碳基半導體最基礎的專利和技術，有望徹底打破美國對我半導體芯片封鎖，成就國產芯片獨立自主的願景，提升我國在半導體領域的話語權，增強國家核心競爭力，實現半導體與電子信息產業的革新與超越。