碳基半导体作为有可能继续硅基半导体，成为未来电子信息家当主要根本的新型半导体材料，其发展潜力值得科研和半导体从业职员对其进行深入挖掘。本文节选自《碳基半导体：中国芯片家当发展新机遇》报告，是碳基半导体系列的
家当篇。文章指明了碳基半导体的潜在运用领域，剖析了其当前面临的紧张家当难题，并深入阐述了其对家当的主要意义。
以碳纳米管为代表的碳基半导体经由长期积累在近年来取得诸多进展，技能成熟度和家当化都迎来曙光，但技能发展和家当完善不是一挥而就的。碳基半导体和硅基半导体材料在性能和本钱平分歧角度拥有各自的上风，未来碳基纵然能冲破硅基半导体完备垄断的局势，碳基与硅基也仍将坚持永劫光共存和互补式发展的状态。碳基半导体是家当发展机遇，但也注定是一项长期而艰巨的任务。
一、碳基半导体潜在运用领域
（一）碳基芯片
碳基半导系统编制造的芯片器件类型与硅基半导体没有大的差异，可大致将其分为：信息处理芯片、通信芯片和传感器芯片三类。信息处理芯片包括CPU、GPU、张量处理器（TPU）、嵌入式神经网络处理器（NPU）等，通信芯片包括5G基带芯片、核心网络芯片、旗子暗记处理芯片等。两者都是未来人工智能、大数据、区块链和5G等前沿技能所必需的，对设计精度、工艺制程、集成度和产能都有更高的哀求，短韶光内难以制造出相应的碳基器件。但传感器芯片一样平常嵌入物联网设备利用，如可穿着设备利用的医疗传感器芯片，这类芯片对制程和工艺哀求较低，估量三至五年内就可能商用。
对芯片制造来说，碳纳米管具备精良的性能，但真正利用起来并不随意马虎，特殊是用于制备碳纳米管晶体管。极小的碳纳米管掺杂处理难度很高，但基于碳纳米管的芯片技能仍取得了相称程度的进展。麻省理工学院联合ADI公司的研究职员找到一种方法，设计出了繁芜的工艺将碳纳米管按照须要转化成p型或者n型半导体。基于这种技能，该团队用14000个碳纳米管晶体牵制造出16位处理器RV16X-NANO。该处理器采取RISC-V指令集，可在16位数据和地址上运行标准的32位指令。研究职员利用这一处理器运行程序，打出了 “你好，天下！
我是RV16XNano，由碳纳米牵制成”。
16位处理器RV16X-NANO
（二）碳基光电器件
碳纳米管在推动光电器件发展上具备远超硅基材料的特性。传统的硅基材料是间接带隙半导体，无法制备高性能的电致发光器件。作为一种直接带隙的半导体材料，碳纳米管具有精良的光电性能，可以同时实现电致发光器件和光电器件。在碳纳米管的两端分别采取钪和钯作为打仗电极，使电子和空穴在被注入到碳纳米管中时或面临零势垒（正偏压条件）或面临靠近碳纳米管能隙的很大势垒（负偏压条件），从而实现高性能二极管。
碳纳米管二极管在光照射下可以引发出电子空穴对，并在内建电场中被分开，从而实现高效率的纳米光电二极管。但是单个二极管实现的光伏电压较小，不具备实用代价。科研职员创造性地发展了碳纳米管级联电池（虚电极）技能，使单个二极管的光伏电压超过1V，达到实际运用水平。研究成果表明在一根碳纳米管上可以大略地通过选用对称电极实现CMOS器件，构建集成电路，通过非对称电极（例如两端分别由非对称的n型和p型电极连接的碳纳米管）即可实现红外纳米光源和光探测器，并可以通过虚电极的引入增加光电压和探测效率。纳米CMOS器件和光电器件在这个无掺杂集成工艺中自然地结合了起来，有望为纳米电子和光电子电路的开拓供应一个统一的平台，而电子和光电子器件的集成，特殊是光通讯电路与高性能电子电路的集成有望极大地提高打算机系统的能力，为后摩尔时期的电子学带来新一轮的繁荣。
（三）柔性电子器件
柔性电子是将有机/无机材料电子器件制作在柔性/可延性基板上的新兴电子技能。相对付传统电子，柔性电子具有更大的灵巧性，能够在一定程度上适应不同的事情环境，知足设备的形变哀求。除精良的电学性能外，石墨烯和碳纳米管的光学、力学性能也使实在用于柔性电子器件的制造。个中，石墨烯具有轻薄、透明等特性；碳纳米管具有柔韧性好、耐波折和疲倦强度高的特性。
碳基半导体材料有望在实际中知足多种柔性电子器件的运用处景：柔性应变/压力传感器，该类传感器常日由导电传感元件与弹性聚合物或其他柔性/可拉伸基材（如纤维、纱线和纺织品）耦合组成，可通过应变/压力刺激引起的导电元件间打仗电阻的变革，检测材料应变或外界压力；可穿着器件，由于柔性电子器件具有很高的柔性和延展性，可与人体的形状特性和运动特性相匹配，并完成传感、显示等功能，运用于消费电子、医疗保健等行业，柔性能源系统，该类系统的定义为柔性乃至可伸缩的能源装置，包括超级电容器、电化学电池（例如锂电池、钠电池和金属空气电池）、光伏装置和发电机等；透明导电薄膜类运用，该类运用包括柔性触摸板、柔性有机发光二极管（OLED）和柔性有机太阳能电池等。
柔性电子器件与人体“无缝贴合”
（四）生物医学传感器
碳纳米管因其独特的力学、电学和化学性能，在生物医学传感器领域有很大用武之地。碳纳米管具有一定的吸附性，能与吸附的其他分子发生相互浸染，从而引起宏不雅观电阻发生改变，因此可以将碳纳米牵制作成气体传感器，通过丈量碳纳米管电阻的变革来检测气体的身分。碳纳米管传感器与普通传感器比较具有尺寸小、灵敏度高、反应快、表面历年夜、能在室温或更高温度下操作等优点，可制成最小生物医学分子级气敏元件，运用于病人呼吸监测，将会取得很好的效果。
同时，碳纳米管在应力影响下随意马虎发生网格构造和直径变革，乃至螺旋度发生变革。由于螺旋度变革将影响碳纳米管导电性的变革，因此可将碳纳米管作为生物压力传感器，通过测定其电子特色的不同来测定力学应力的大小。碳纳米管传感器可做成高灵敏的微型设备，能运用于一样平常压力传感器不易传导的区域，如血管、淋巴系统、细胞等。
利用碳纳米管的微型、灵敏、便携带的特性，将其做成生物医学电磁传感器注入人体，随时监控电磁波对人体的影响，将在很大程度上减少电磁波对人体的侵害。同时医务职员通过丈量人体磁场的变革来判断人体的生理变革，从而采纳适当的方法进行治疗。
二、碳基半导体的家当难题
（一）规模化、低本钱制备生产难题
目前碳基材料的紧张寻衅来源于规模化生产面临的高可控性材料加工问题，即必须在绝缘衬底上定位成长出所需管径大小的碳纳米管半导体。网状薄膜的碳纳米管可以避免材料手性和位置掌握问题，但是由于其性能的限定，只适宜于柔性电子学等对器件和电路的速率和集成度哀求不高的领域。基于平行碳纳米管阵列材料的电子学虽然可以避开位置掌握的哀求，但是如何规模化成长致密、均匀的纯半导体型碳纳米管仍面临着巨大寻衅。虽然彭练矛院士团队在碳基材料制备方面实现打破，使得碳纳米管成长涌现了可掌握迹象，但这间隔大规模制备碳纳米管还有一定间隔，限定其在更多领域开展运用。
此外，碳基半导体与硅基半导体的干系技能与工艺设备存在差异，虽然现有的硅基半导体加工设备有90%可以直接应用到碳基中，但部分工艺或设备须要调试，才能适配碳基半导体器件的生产。例如碳纳米管材料的洗濯、刻蚀等步骤须要分外处理，碳纳米管器件的模型也需单独建立。
综上，碳纳米管晶体管尚处于实验中少量制备的阶段，无法知足商业领域对碳纳米管晶体管快速低本钱制备需求。未来，还需进一步打破技能、本钱限定，在设备和器件等工艺方面建立成熟的规范流程，降落本钱，提高稳定性，向商用标准迈进。就中美碳基半导体整体发展状况而言，我国在碳纳米管材料以及高性能碳纳米管晶体牵制备方面领先美国，但美国在集成电路家当生态上具备上风，在芯片设计工具、三维系统架构设计、标准化规模化制造等方面领先。未来碳基须要与硅基技能结合以实现家当化，因此我国在碳基半导体家当化推进层面将须要战胜比美国更多的困难。
（二）产学研互助难题
半导体家当链环节浩瀚，除材料制备外，还须要设计、制造、封装等浩瀚工具和环节合营，形成生态链。当前，以中国北京大学彭练矛团队、美国麻省理工学院舒拉克团队为代表的研究团队在碳基半导体领域取得一系列阶段性进展，但半导体生态链的构建仅靠实验室显然是不足的，必须实现产学研互助。
国外方面，碳基半导体材料研究领先院校美国麻省理工学院（MIT）在产学研互助方面做得比较好。MIT团队的研究，除了有美国国防高等研究操持局三维芯片系统操持和美国空军研究实验室的官方支持，还有杜克大学等高校，以及ADI、SkyWater等半导体公司支持。美国公司和高校之间互换和流动性较好，公司普遍乐意给高校投钱做项目，并会提出明确目标，让高校定期申报请示进度，共同推进技能家当化。
在碳基半导体研究上，美国佐治亚理工学院和杜克大学开拓出工艺设计工具包（PDK）和电子设计自动化（EDA）软件，为碳基芯片设计和开拓供应软件支持。ADI和SkyWater公司供应碳基芯片代工，SkyWater更是建造了天下首个碳纳米管90nm芯片代工厂，为碳基芯片系统设计和工艺工程化供应硬件支持。MIT利用上述芯片设计工具，设计出包含约64000个碳纳米管晶体管的存储芯片，并在SkyWater的代工厂进行流片。虽然该芯片中存在金属属性碳纳米管杂质过多的问题，但也为碳基芯片家当化展示了新的可能。
美国麻省理工学院（MIT）
中国方面，目前我国度当界中乐意跟进的企业不多，家当界很难在一项技能还没看到回报投资时进行投入，只有工程化、成熟化的技能，家当界才敢接手。海内公司更乐意在研究成果成熟时和高校互助。例如，在通信领域，企业和高校的互助就较多，由于这些领域一样平常不涉及“卡脖子”的硬科技技能，通过改进算法或模型，就能出产品。而带有不愿定性的互助，短期内很难给公司带来盈利，长期看又存在一定风险，公司就没有给高校投钱的动力。但碳基半导体技能从实验室抵家当界，中间还须要进行工程化研究，个中面临的寻衅包括资金的持续担保、理念的转变以及与现有家当的兼容等，这些问题只依赖研究团队是无法办理的。
以北京碳基集成电路研究院为例，如果该院要连续推进碳基集成电路发展，按照该院当前200人的规模，再加上实验平台，每年须要的资金约为2亿元，并且须要确保十年以上的资金投入，约为20亿元。考虑到十年中还不断会有技能转让等创收，实际投资应小于20亿元。但是，直到现在还没有企业关注到该研究院的代价。北京碳基集成电路研究院院长彭练矛表示，学术界完成从0到1的创造之后，从1到无限的扩展必须由政府主导、家当界合营，才能推动这项革命性的技能真正落地。
（三）逆环球化阻碍环球半导体家当互助
半导体家当是一个须要环球化互助的家当。从家当链角度看，没有一个国家能单独把材料、装备、制造、设计、封装测试这五个家当链的主节点都节制。从生态链角度看，更须要环球化互助，如果产品没有需求方，或者类似美国对中国芯片入口限定，将会影响半导体生态链平衡发展。从技能角度看，半导体家当技能的快速迭代须要高强度投资，而高强度投资则需依赖多企业、多方面互助。然而，当今半导体家当涌动着逆环球化思潮，新冠疫情以来更是表现出愈发明显的逆环球化趋向，个中以美国尤甚。
2017年特朗普刚上任时，总统科技顾问委员会就发布一份名为《如何确保美国在半导体行业的长期领导地位》的报告。报告指出，中国正瞄准半导体设计和生产的环球领导地位，并利用海内稳步增长的半导体消费市场放大影响。报告认为美国半导体家当正面临威胁，美国该当对中国半导体家当加以限定。随后，美国开始在半导体领域强推逆环球化，迫使一些国家或地区站队，如限定荷兰ASML向中国晶圆厂出售EUV光刻机；限定日本信越、胜高向中企出售原材料；限定台积电给大陆企业供应代工做事等等。美国的这一系列举措不仅会割裂环球半导体家当链，还会引发其他发达国家效仿。对付发展尚未成熟的碳基半导体行业，未来还需投入大量人力、物力构建全新的生态链，环球化互助将大大加快这一进程，而美国等国的逆环球化势必对碳基半导体行业发展带来不利影响。
三、碳基半导体对家当的意义
（一）碳基半导体为半导体家当升级创造良机
当代电子信息技能的根本是集成电路芯片，而当前构成集成芯片的器件单元险些都是由硅基CMOS器件组成。几十年来，家当界对硅基CMOS器件的发展策略是不断缩小关键尺寸，提高集成度，从而实现功能更加强大、功耗更低、速率更快且本钱更低的集成电路芯片。早期的芯片发展相对大略，只需提升加工精度，根据等比原则大略缩减器件横向和纵向尺寸，就能实现性能的大幅度提升。但是近年来，坚持芯片性能快速提升须要不断引入新的构造和材料，场效应晶体管技能发展到本日，从最初创造时的简陋构造演化成如今的主流构造已经由无数次优化，构造和工艺改造对芯片性能提升效果逐渐下滑。
通过碳基替代完成半导体家当升级是一条值得考试测验的发展路径，但以硅基为核心的半导体家当链成熟而又发达，从半导体材料供应、设备制造到运用，全体高下游家当技能完备依赖硅基材料及现有的硅基知识产权体系。碳基半导体通过对硅基的底层替代完成半导体的内生革命，为全体半导体芯片发展供应了新的技能路径选择。但碳基半导体在初始阶段，研发、制造本钱高，工艺不及硅基半导体多年磨合形成的家当上风。而且碳基半导体还须要家当链知足三点哀求：一是在担保规模化生产的同时，最大限度地降落本钱；二是要能够利用现有设备，不引入禁止的化学污染物或微粒；三是要实现比同等尺寸硅基更强的性能。家当发展有自身的连续性，碳基半导体如果发展至能与硅基并存的程度，则将产生“由硅至碳”的升级机遇，对半导体材料制备、芯片设计和制造的既有环球家当体系产生深远影响。
（二）碳基半导体技能发展，将连续推进环球电子家当高速发展
近年来，碳基半导体研究取得浩瀚进展，碳纳米管电子学研究成果尤为显著。碳纳米管材料的半导体纯度和质量在不断提高，能够得到越来越靠近空想情形的半导体碳纳米管材料来制备晶体管。在器件方面，研究职员对碳纳米管晶体管的器件物理进行了系统深入研究，发展了碳纳米管CMOS器件的可掌握备方法，并且不断优化栅介质和构造，进一步提升器件性能，通过缩减器件尺寸，实现了亚10nm的器件，在此根本上探索并验证了碳纳米管器件的潜力。得益于材料自身的优秀性子和广泛的政策和资金支持，研发职员在碳纳米管领域取得相称的造诣，达到了其他纳米材料从未到过的高度。
碳基半导体研究取得飞速发展的同时，也在逐渐从根本研究转向实际运用。研发职员不仅实现了具有各种功能的根本逻辑单元，在集成电路方面，基于碳纳米管晶体管构建的一系列基本逻辑单元和繁芜电路，特殊是碳纳米管打算机的展示，让业界看到了碳纳米管晶体管以及碳纳米管芯片的曙光。后摩尔时期碳基电子学若取得进一步研究成果，在低功耗、高性能或者特种集成电路中展示其潜力，则将为半导体家当发展谱写新的光辉乐章。
未来第四次科技革命既须要人工智能、虚拟现实、大数据技能的大力支撑，也离不开半导体技能供应的硬件根本。科技革命带来信息和数据的再一次爆发式增长，对半导体技能的发展、芯片性能提出更多、更高的哀求。此外，对数据存储、处理和剖析需求的增加，使得环球花费在数据需求上的能源占比快速提升。同时，对数据存储、处理和剖析需求的增加，使得环球花费在数据需求上的能源占比快速提升。硅基半导体芯片需提升芯片性能并降落能耗才有望支撑新一轮科技革命，但在受限于物理瓶颈，芯片难以连续微缩的状况下，每个芯片的算力无法提升、单位能耗无法连续降落。而在科技革命对算力需求指数增长的情形下，将须要更多的硅基芯片来实行运算，也意味着数据处理所需的总能耗将呈指数增长，这是任何国家，乃至全体地球都无法承担的负荷。
从能耗角度来看，硅基半导体也难以包袱第四次科技革命的期望。碳基半导体的材料特性为超低功耗的纳米电子学开展，和未来超低功耗集成电路大规模运用创造了可能，新的科技革命有望依托碳基半导体带来人类社会的又一次飞跃。
（三）碳基半导体为我国布局半导体家当供应新的选择
随着摩尔定律对硅基半导体逐渐无能为力，通过快速技能升级提升半导体供应路线走不通，环球对半导体需求却随着5G技能采取、数据中央的扩展而快速增长，半导体行业供求关系涌现倒挂。未来半导体家当地位愈发关键，而对半导体的投资、研发也将迎来黄金时候。另一方面，技能发展带动半导体芯片，如CPU、GPU、NPU等快速更迭，硅基半导体在提升半导体新芯片性能上越来越后继无力，碳基半导体为芯片未来发展供应新的选择。
传统的硅基半导体技能正附近发展极限，信息家当即将面对主要历史迁移转变点，这也是中国信息家当界实现赶超的重大与难得的历史机遇。伴随着可移动智能设备、云存储和大数据处理的广泛运用，迅速发展的信息家当对未来的半导体芯片和信息处理技能提出了前所未有的哀求。为了延续摩尔定律和应对后摩尔定律时期，持续提升芯片性能，须要发展速率更快、能耗更低的新型半导体芯片；为了拓展正在快速崛起的可移动智能设备市场，同样须要研制具备柔性、透明和生物可兼容等特性的新型芯片。终极放弃对一贯作为信息家当基石的传统硅材料的依赖，转而寻求具有更高性能和更低能耗的非硅基替代材料已经成为人类一定的选择，这将从根本上改变未来的半导体芯片和全体信息家当的发展。
当前，我国集成电路制造家当正处于高速发展期，在发卖规模、技能升级、产能扩展和方案新生产线培植方面都取得显著进展。但是，我国大陆集成电路制造业规模占环球不到10%，制造技能水平与国际前辈工艺技能还有近两代差距，这与我国作为集成电路消费大国的地位严重不匹配。对此，进一步加速我国集成电路家当发展，提升我国集成电路制造技能水平仍旧十分紧迫。
现今的芯片家当格局是，美国把控芯片设计和制造专利技能攫取最多利润，日欧通过材料和制造设备供给掌握上游，台湾地区和韩国霸占芯片制造的终极出口，我国极力从三者的缝隙和低端产品切入寻求打破。碳基半导体供应的底层技能路径选择意味着重组家当格局的难得机会，若能实现规模化运用，我国就能在碳基发展早期入局，从上游碳基材料制备、中游碳基芯片设计到下贱碳基芯片制造多层次脱手完善芯片家当架构，冲破既有的环球芯片家当格局。
（四）碳基半导体是我国芯片家当发展的新机遇
半导体材料研究，尤其是采取硅以外的材料制备集成电路，包括锗、碳、砷化钾、石墨烯，一贯是国外半导体前沿技能的关注重点。作为最有希望替代硅基的半导体材料，碳基半导体在材料、器件和电路领域取得相称的进展，已证明其巨大的潜在运用代价。
目前芯片绝大部分采取硅基材料的集成电路技能，高端芯片技能被国外厂家长期垄断，中国每年入口芯片的花费高达3000亿美元。加速以芯片为代表的半导体家当发展早已成为国家计策，但在逆环球化和美国对我高科技家当封锁的大背景下，我国现有的硅基半导体发展举步维艰，多数集中在低利润、低附加值的环节。硅基半导系统编制造须要设计、制造和封测三大环节，我国在技能含量最低的封测环节具备一定的研发和家当实力，但在设计和制造上差距很大。设计芯片所利用的EDA软件，我国基本完备依赖国外的新思科技、楷登电子和明导国际三家企业；芯片制造环节则依赖台积电、三星、格芯和联电，海内最前辈中芯国际在制造工艺上与台积电相差两代，而且中芯国际利用的光刻机设备受制于美国掌握的ASML公司。
台湾积体电路制造株式会社
我国硅基半导体距国际领先水平差距很大，而且美国企图利用其硅基半导体家当上风，对我国高科技发展道路履行封堵，依循旧有的硅基半导体家当发展道路追赶注定充满坎坷。彭练矛院士认为，在碳基半导体家当化推进上，若具备实验条件和有履历的团队，乐不雅观估计大致须要3-5年韶光，即可完成碳纳米管晶圆制备能力完善、标准工艺研发、碳纳米管CMOS晶体管的构造优化和稳定性改进、EDA平台和设计方法建立、完全的碳基三维集成工艺研发等事情，并形成确定技能节点（如90nm或45nm）的碳基三维芯片设计和制造能力，进而完成碳基中试生产线，奠定碳基集成电路家当化根本。若守旧估计，从碳基芯片的自动化设计工具、制造设备、封装测试和人才的招募与培养等方向全面布局，则有望在10年内将碳基技能初步推向实用。
我国在碳基半导体研发上与西方国家站在同一起跑线，拥有碳基半导体最根本的专利和技能，有望彻底冲破美国对我半导体芯片封锁，造诣国产芯片独立自主的愿景，提升我国在半导体领域的话语权，增强国家核心竞争力，实现半导体与电子信息家当的改造与超越。
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作者简介
李鹏飞 国务院发展研究中央国际技能经济研究所研究五室，研究助理
研究方向：信息领域计策、技能和家当前沿
联系办法：lifei@drciite.org
张宇国务院发展研究中央国际技能经济研究所研究一室，研究助理
研究方向：机器人、3D打印、工业互联网、高端装备制造等
联系办法：zhangy@drciite.org
武志星国务院发展研究中央国际技能经济研究所研究三室，研究助理
研究方向：海洋、新材料领域计策、技能和家当前沿
联系办法：wuzhixing@drciite.org
唐乾琛国务院发展研究中央国际技能经济研究所研究五室，研究助理
研究方向：信息领域计策、技能和家当前沿
联系办法：tangqc@drciite.org
作者丨 李鹏飞 张宇 武志星 唐乾琛
编辑丨 刘瑾
研究所简介
国际技能经济研究所（IITE）成立于1985年11月，是从属于国务院发展研究中央的非营利性研究机构，紧张职能是研究我国经济、科技社会发展中的重大政策性、计策性、前瞻性问题，跟踪和剖析天下科技、经济发展态势，为中心和有关部委供应决策咨询做事。“环球技能舆图”为国际技能经济研究所官方微信账号，致力于向"大众年夜众通报前沿技能资讯和科技创新洞见。
地址：北京市海淀区小南庄20号楼A座
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