碳基半导体、弯道超车与楚王失弓 | 袁岚峰

导读

大格局的看法是，这是全人类的重要进展。所谓中国芯的说法，听着似乎是别人已经有了，然后有人来填补国内空白，这就拉低了自己的层次。

大家都知道，当代的信息技术是建立在硅（Si）材料上的。所以很多人脑洞大开地设想将来会出现“硅基生命”，也就是有自我意识的机器人，或者人把意识上传到网络。或许，高等级的外星文明已经是硅基生命了。

终结者

跟硅基生命相对，地球上现有的以碳（C）元素为基础的生命就被称为“碳基生命”，包括人类在内。所以经常见到这样玩笑的说法：在硅基生命看来，你们这些碳基生命都是渣渣！

 碳基生命

然而，硅基真的比碳基高级吗？其实完全不见得。现在一个很重要的研究方向，就是基于碳材料的信息技术。

最近，北京大学彭练矛院士和张志勇教授等人的研究组，在顶尖学术期刊《科学》（Science）上发表了一篇论文（https://science.sciencemag.org/content/368/6493/850.full），就是这个领域的重要成果。许多媒体报道，这有望为碳基半导体进入规模工业化奠定基础，也为我国芯片业弯道超车提供巨大潜力（为“中国芯”弯道超车加速！北大研究团队突破碳基半导体制备瓶颈）。

彭练矛与张志勇等人在Science的论文

我来向大家解读一下这项工作。

历史上，半导体材料的变迁其实已经发生过一次了，就是从锗（Ge）到硅（Si）。1947年，贝尔实验室的巴丁（John Bardeen，1908 - 1991）和布拉顿（Walter Houser Brattain，1902 - 1987）发明了晶体管，当时他们用的就是锗。在半导体产业的最初几年，大家用的都是锗。

世界上第一支晶体管与晶体管的三位发明人（左：巴丁，中：肖克利，右：布拉顿）

但有些人敏锐地看到，硅的前景比锗广阔得多。锗在地壳中的含量在百万分之一的量级，而且是地壳中最分散的元素之一，没有可供工业开采的矿石，只能从其他矿物的处理中回收。而硅占地壳质量的26.4%，随便抓一把沙子就是二氧化硅。锗难以提炼到很高的纯度，而提纯硅要容易得多。锗半导体的热稳定性也不如硅。

 元素周期表，注意C、Si、Ge都在第四主族

所以到了六十年代，主流已经完全变成了硅，早期的锗晶体管、锗集成电路都进了博物馆。锗半导体并没有完全被淘汰，但只用在极少数地方，如高频大功率器件。

 图左为基尔比与他的锗基集成电路，图右为诺伊斯与他的硅基集成电路

现在大家听到的28纳米、14纳米、7纳米之类的数据，指的就是在硅材料上一个晶体管的特征尺度。1纳米等于10的-9次方米，一根头发丝的直径就有几万纳米。在一根头发的宽度就能放下几千个晶体管，这是多么了不起的技术！

但是，当人们继续往下走，就快hold不住了。晶体管之间离得太近，就会漏电，导致无法使用，这是物理规律决定的。

怎么办呢？

一条路是修修补补，改变晶体管的构型之类，想尽一切办法给硅材料续命。

 从平面场效应管到FinFET再到GAAFET的演变

另一条路是从底层开始革命，把硅材料换掉。

以前既然可以从锗换成硅，现在当然也可以换成其他材料，用硅并不是天经地义的。换成什么呢？最有希望的选择之一就是碳纳米管（carbon nanotube），还有一种值得考虑的是石墨烯（graphene）。两者都是碳材料，所以统称碳基半导体。

学过初中化学的，都知道石墨的结构，它是由一层层的平面堆叠而成的。石墨的一个单层，就是石墨烯，其中每一个碳原子周围连着三个碳原子。石墨烯好比一张纸，石墨好比很多张纸摞起来。拿着一张纸，你还可以把它卷成一个管子，这就是碳纳米管，简称碳管。你看，这些碳材料的结构都很容易理解。

四种碳材料：石墨烯、石墨、碳纳米管与富勒烯

在原理上，碳纳米管跟硅相比，晶体管的功耗更小，效率更高，所以被公认为下一代集成电路的理想材料。但这只是理论上限，真要实现这样的潜力，有很多先决条件。

 碳纳米管晶体管具有超越硅的潜力

首先，这些管子不能横七竖八躺一地，而是要顺着同一方向排列起来。一家人，最重要是齐齐整整！

 一家人最要紧是齐齐整整

然后，管子的密度要足够高，稀稀拉拉排几根是没用的。要达到好的性能，需要在1微米里放下100至200根碳纳米管。

这两个条件都很容易理解，还有一个条件比较高端，就是要达到很高的半导体纯度。这话是什么意思呢？

我们需要注意到，把一张纸卷成一个管子，有很多种卷法。可以粗，也可以细。可以平着卷，也可以斜着卷。不同的卷法，得到的碳纳米管性质是不一样的。其中有些是半导体，有些是导体，或者说是金属。

碳纳米管的不同卷法

半导体是我们需要的，而导体是有害的。要达到好的性能，导体管子的比例要在百万分之一以下，也就是说半导体管子的比例要达到99.9999%，小数点后4个9。这就是所谓半导体纯度的要求。

 论文图1，左边是碳纳米管晶体管的示意图，右边纵轴是金属性碳纳米管比例，横轴是碳纳米管密度，注意这项工作第一次落在了金属性碳纳米管比例小于百万分之一、碳纳米管密度在100至200根每微米的有用范围内

在此之前，顺排、高密度和高纯度这三个要求，没有能同时做到的。有些实验能实现高密度，但没有高纯度。有些实验是有了高纯度，而没有高密度。所以，碳纳米管晶体管的性能，总是比硅差至少一个量级。

 在此之前，碳纳米管晶体管的性能总是比硅差至少一个量级

知道了这些背景，彭练矛和张志勇等人的新成果就容易理解了。他们提出了一种新的制备方法，第一次把这三个条件同时实现了。从而有史以来第一次，造出了性能超越硅的碳纳米管晶体管。

 Science杂志对这项工作的介绍（https://science.sciencemag.org/content/368/6493/twis）

如果你想了解细节，那么可以稍微解释一下。他们的制备方法是，先用多次的聚合物分散和提纯，得到超高纯度的碳管溶液，然后对这个溶液用维度限制自排列（dimension-limited self-alignment，简称DLSA）。最终在4英寸的基底上，制备出了密度在100至200根每微米范围内可调、半导体纯度高达99.9999%、直径在1.45 ± 0.23 纳米范围内的碳管阵列。经过实测，性能确实超过了相同尺寸的硅晶体管。

 论文图2，顺排碳纳米管阵列的制备与表征

这是一个里程碑式的成就，正如北大官方的微信文章评论的（为“中国芯”弯道超车加速！北大研究团队突破碳基半导体制备瓶颈），将为碳基半导体进入规模工业化奠定基础。

不过，这种方法目前还不能工业化。他们必须用到一种叫做“离子液体栅极”（ionic liquid gate）的部件，才能使碳纳米管晶体管的性能超过硅，而离子液体栅极目前是不能大规模制备的。所以，在工业化的路上还有许多障碍要克服。好消息在于，这些障碍越来越少了，而且第一次显露出了超越硅的曙光。

论文图4，使用离子液体栅极后，碳纳米管晶体管超越了硅

离子液体栅极不适合大规模集成

最后，有一点值得讨论的是，媒体在报道这项成就时，往往用“中国芯”这样的词，例如深科技的文章（北大教授突破碳基半导体技术，在《科学》发表三篇论文！“中国芯”梦想更进一步）。

北大教授突破碳基半导体技术，在《科学》发表三篇论文！“中国芯”梦想更进一步

就连北大自己的宣传，都用这样的标题（为“中国芯”弯道超车加速！北大研究团队突破碳基半导体制备瓶颈）。

为“中国芯”弯道超车加速！北大研究团队突破碳基半导体制备瓶颈

这其实格局有点小了。大格局的看法是，这是全人类的重要进展。所谓中国芯的说法，听着似乎是别人已经有了，然后有人来填补国内空白，这就拉低了自己的层次。

《孔子家语》里有一个故事：楚王出游的时候，丢失了一张弓。左右要去找弓，楚王说：“不用了。楚王失弓，楚人得之，又何求之！”

《孔子家语》

你觉得楚王的胸怀很开阔吗？然而孔子听到，却说：“可惜楚王的胸怀不够大啊！为什么不说人失弓，人得之，就够了呢？何必一定要楚人呢？”

楚王失弓

（http://www.quanxue.cn/CT_RuJia/KongZiJY/KongZiJY10.html）

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