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半导体|中国碳基半导体研究团队再登顶刊！为3nm制程提供另一种选择( 三 )


半导体厂商巨头、学术研究领先者纷纷下注碳基半导体 ， 再次反证了碳纳米管材料在半导体领域的巨大潜能 。
但是 ， 这并不代表着对碳纳米管半导体技术的研发会一帆风顺 。 1998年首个碳纳米管晶体管研发至今 ， 碳纳米管半导体技术一直遭遇材料上的瓶颈 。 长期以来 ， 最小碳纳米管CMOS器件的栅长停滞在20nm（2014年 IBM） 。
具体来说 ， 为了满足大规模高性能集成电路的要求 ， 需要碳纳米管晶体管同时满足两个要求：
1、排列和密度方面 ， 需要一种高取向阵列方法 ， 要求在1微米中放下100至200根碳纳米管 ， 以保证晶体管数目；
2、纯度方面 ， 需要半导体纯度大于99.9999%、或者金属型碳管含量小于0.0001% ， 以保证半导体性 。
目前 ， 在碳纳米管半导体领域发展较好的外国企业是美国存储芯片制造商Nantero 。 根据Nantero
官方信息 ， 该公司计划于今年晚些时候推出基于碳纳米管晶体管的NRAM产品 。
▲Nantero的NRAM产品
三、我国的碳基半导体研究“风景独好”国外碳纳米管半导体材料研发停滞不前六七年 。 有媒体报道称 ， IBM的碳纳米管研发团队已经黯然解散 ， 相关人员大多进入高校进行学术研究 。
反观我国 ， 我国的碳纳米材料研究起步较早 。 1997年 ， 北京大学成立全国第一个纳米科技研究机构：北京大学纳米科学与技术研究中心 。
2002年 ， 清华大学吴德海教授团队和美国伦斯勒理工学院P.M.Ajayan教授合作 ， 首次制备出利用浮动化学气相沉积方法制备直径约为300至500微米的碳纳米管束 。
同年 ， 清华大学范守善教授团队报道了从碳纳米管阵列拉丝制备碳纳米管纤维的方法 。 除了这些成就 ， 据2014年数据 ， 我国有超过1000家高校和科研所从事碳纳米材料研究活动 ， 在碳纳米材料的研究方面不断创新 。
碳纳米管半导体技术研发方面 ， 相比国外一卡六七年的状况 ， 我们颇有些“这边风景独好”的意思 。
中国碳基纳电子器件代表研究机构有中科院、北京大学、清华大学等 。 今年5月份 ， 北京大学发起的北京元芯碳基集成电路研究院 ， 在权威学术期刊《Science》上发表一种全新的碳纳米管制备方法 ， 首次同时实现了碳纳米管晶体管的高密度、高纯度要求 。
使用该方法制备的碳纳米管纯度可达到99.9999% ， 阵列密度达到120/微米 。 通过这一技术 ， 研究人员有望将集成电路技术推进到3nm节点以下！
▲北大团队研发的晶圆级高质量碳管阵列薄膜
这个消息一经公布 ， 我国从事碳纳米材料研发、生产的几家企业股票纷纷开涨 。 代表的有楚江新材、银龙股份旗下碳基研究院、中科电气、丹邦科技等 。
在这些公司中 ， 丹邦科技可以算是我国碳基半导体领域的一支强劲力量 。 丹邦科技成立于2001年 ， 专门从事挠性电路与材料的研发和生产 ， 是深圳证券交易所中小板上市企业 。
2019年 ， 丹邦科技自主研发的TPI量子碳基薄膜成功试生产 。 作为世界上唯一具备TPI量子碳基薄膜量产能力的企业 ， 据称其技术已被苹果、华为看中 。 有消息称华为已经进入中试阶段 。
TPI量子碳基薄膜具有多层石墨烯结构 ， 主要用于5G手机、芯片、笔电、柔性屏散热等使用场景 。
6月30日 ， 丹邦科技披露了其2019年年度报告 。 数据显示 ， 2019年丹邦科技营业收入为约3.47亿元 ， 其中PI膜业务约占167万 ， 占比0.48% 。
结语：碳基材料有望挑起未来半导体产业“大梁”按照国际半导体技术发展路线图委员会（ITRS）预测 ， 硅基半导体的性能将在2020年左右达到物理学极限 。
2020年 ， 最先进的芯片制程节点推进5nm 。 5nm之后 ， 全球半导体产业何去何从？哪怕不是2020年 ， 硅基晶体管的尺寸极限终将到来 ， 到那时芯片产业又该怎么办？
面对硅基材料的尺寸极限 ， 换用碳基材料不失为一个方法 。 我国北大研究团队在制备碳纳米管晶体管方面取得的成就正是把碳基半导体向产业应用推进了一步 ， 也有助于我国为“摩尔定律将终结”的预言未雨绸缪 。


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