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重大喜讯:我国碳基半导体(芯片)制备成功,世界领先

送交者: 不清不楚[♂☆★★声望品衔11★★☆♂] 于 2020-05-30 11:30 已读 9939 次  

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就在美国连日来叫嚣要封锁我高科技企业,禁止芯片代工厂给华为芯片代工的时候,我国半导体行业突传喜讯:解决了长期困扰基于碳基半导体材料制备的瓶颈。该项技术不光打破了国外对我们的芯片封锁,同时还先于国外同行率先制备成功,真正实现了半导体和芯片产业的弯道超车!


而面临美国大棒威胁的中企不仅是华为,在短短一年间,有多达120家中国企业和机构被美国拉进“黑名单”,这些被列入“实体清单”的中国企业被迫中断了与美国的商业合作。事实上,美国大棒打压的并不是中国的企业或机构,而是想要限制中国的高科技发展。


北京元芯碳基集成电路研究院日前举办媒体发布会,该院中国科学院院士、北京大学教授彭练矛和张志勇教授带领的团队,经过多年研究与实践,解决了长期困扰碳基半导体材料制备的瓶颈,如材料的纯度、密度与面积问题。他们的这项研究成果已经被收录在今年5月22日的《科学》期刊“应用物理器件科技”栏目中。



Science官网论文截图

这里注意一个关键词:制备。制备的意思就是指经过制造而取得,而不仅仅是研发成功,这让那些以光刻机和蚀刻机等限制我国芯片产业发展的企业情何以堪。


没有你们的光刻机我们依然可以世界领先。


我国每年进口硅基芯片就得耗费3000亿美元,是全球第一大进口国

长久以来,我国都是芯片的进口大国。目前,大多数芯片都使用硅基集成电路技术,但是这种技术已经被欧美垄断了很长时间,而且也中国经常因此被“卡脖子”。 但这一技术被国外制造商所垄断,进而导致我们长期依赖进口芯片。


进口芯片价格高昂,中国每年进口芯片就得耗费3000亿美元,相当于2万多亿人民币,甚至超过了从海外进口石油的成本,在国内进口中排名第一。 现在又面临着美国的封锁,摆脱依赖迫在眉睫,芯片国产化已成为我国未来的长期重要发展战略。

长久以来,芯片使用的都是硅基

硅基芯片已达物理极限,碳基才是最好的替代品

从1959年罗伯特·诺伊斯发明硅集成电路之后,半导体行业就进入了硅基时代。


随着摩尔定律逼近极限,硅材料的带隙较窄、电子迁移率和击穿电场较低的缺陷也开始慢慢显现,而且硅在光电子领域和高频高功率器件方面的应用受到诸多限制,在高频下工作性能较差,不适用于高压应用场景,光学性能也得不到突破。


硅基芯片制程接近3nm,摩尔定律已经逐渐失去效用,当前硅基芯片技术即将达到物理极限。将硅以外的材料用于集成电路一直是外国半导体的重点研究方向。

硅基芯片已接近物理极限

地球上普遍存在的碳元素,与硅同属一族,它们之间具有很多相似的性质。碳基半导体具有成本更低、功耗更小(比硅基材料节约30%)、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。碳纳米管由此成为取代硅材料、发展下一代晶体管集成电路的最理想材料。


北京元芯碳基集成电路研究院所实现的不是要“弯道超车”,而是“造路超车”,促进全球半导体行业迎来大洗牌。碳基半导体会成为未来的主流,等到其真正商用之时,美国、韩国等国当前先进的硅基半导体技术将迎来淘汰。


基础制备材料中的难题被攻克

碳纳米管集成电路批量化制备的前提是实现超高半导体纯度、顺排、高密度、大面积均匀的碳纳米管阵列薄膜。对于以往的制造工艺,这样的生产要求是难以达到的,材料问题的制约导致碳管晶体管和集成电路的实际性能远低于理论预期,成为碳管电子学领域所面临的最大的技术挑战。


北大科研团队在《科学》杂志发表的成果,标志着碳管电子学领域、以及碳基半导体工业化的共同难题被攻克。科研团队表示,如果碳基信息器件技术,可以充分利用碳管在物理、电子、化学和机械方面的特殊优势,就有希望生产出性能优、功耗低的芯片。

材料问题的制约导致碳管晶体管和集成电路的实际性能远低于理论预期,成为最大的技术

北大团队新创举:多次提纯与维度限制自排列法

高密度、高纯度半导体碳管阵列的制备和表征

课题组采用多次聚合物分散和提纯技术得到超高纯度碳管溶液,并结合维度限制自排列法,在4英寸基底上制备出密度为120 /μm、半导体纯度高达99.9999%、直径分布在1.45±0.23 nm的碳管阵列,从而达到超大规模碳管集成电路的需求。

高性能碳管晶体管

该项工作突破了长期以来阻碍碳管电子学发展的瓶颈,首次在实验上显示出碳管器件和集成电路较传统技术的性能优势,为推进碳基集成电路的实用化发展奠定了基础。


磨剑二十年,只为“中国芯”

国外也一直想在碳基芯片获得突破,但我国为何跑到了前面?


其实早在二十年前,从2000年起,彭练矛已在碳基纳米电子学领域坚守了近20年,带领研究团队探究用碳纳米管材料制备集成电路的方法。


2017年1月,彭练矛率团队研制出高性能5nm(纳米)栅长碳纳米管CMOS器件,这是世界上迄今最小的高性能晶体管,综合性能比目前最好的硅基晶体管领先十倍,接近了理论极限。其工作速度3倍于英特尔最先进的14nm商用硅材料晶体管,能耗却只有硅材料晶体管的1/4,相关成果发表于《科学》。


彭练矛表示。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。未来,碳基芯片,将为整个中国的芯片领域发展带来新的希望,为中国芯片突破西方封锁、开启自主创新时代开辟一条崭新的道路。

5月22日上午,中共中央总书记、国家主席、中央军委主席习近平听取了彭练矛介绍“领先世界的碳芯”

不知道美国刚刚宣布完对华为断供芯片和拉出高科技“实体名单”,我国就爆出如此成绩,美国作何感想?



此情此景我又想起2011年1月盖茨访问中国来耀武扬威时,中国进行了下一代隐形战机歼-20的试飞以显示实力。


就此盖茨后来回忆说:这是对我最大的侮辱。

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