最近一段时间，北京大学研究团队制作出碳基芯片，性能远超同规格硅基芯片的报道，引发了国人的热议。中国可以弯道超车了吗？再也不用担心被极紫外光刻机卡脖子了吗？华为会不会对碳基芯片做战略投资？

一、背景简介

这件事情，不能拍拍脑袋就瞎说。为了了解这个事情的真相，我专门下载了北大彭练矛团队最具代表性的两篇论文，分别于2017年和2020年发表在美国的顶级期刊科学杂志上。世界上影响力最大的两个杂志分别是英国的《自然》和美国的《科学》。一般发表的都是人类最前沿的科学研究成果。

我们来说说北大的碳基芯片是怎么回事。大家首先应该

冷静看待这个突破

，虽然从

性能上

已经

超过

了同规格

硅基芯片

，但从

制作工艺上远不如硅基芯片成熟

。另外从制程上也还远不如硅基芯片先进。

其实碳基芯片从上世纪就提出来了，并预言会最终代替硅基芯片，但一直到现在还没有实现。最早，曾经提出在金刚石上掺入杂质制作晶体管，可以实现比硅半导体更优越的性能。往金刚石里掺入氮元素和硼元素就可以把它变成性能优异的半导体，这是早就证实了的。但由于金刚石制作成本太高，一直也没有实现工业化。

后来制作出了单层石墨烯和单层碳纳米管，成为新的希望。它们相对于金刚石来说不仅成本低很多，而且本身就是良好的半导体。而金刚石本身是绝缘体，需要掺入杂质才能变成半导体。

石墨烯，是这些年研究非常热门的材料，很多人不知道石墨烯和碳纳米管的联系和区别。严格来说碳纳米管也是石墨烯的一种，只是石墨烯是二维平面结构，碳纳米管就相当于把石墨烯卷了起来形成了一个管子。单层碳纳米管，被称为

一维导电材料

。因为没有横向的扩散，只能沿轴向传输电流，中间的电损耗非常小。相对来说，硅半导体必须考虑横向扩散问题。另外，碳纳米管材料特别细，直径只有1-3nm，

特别适合做小尺寸的晶体管

，能做成立体控制结构、也有利于电路控制。还有，这种材料强度高，比钢铁还结实，弹性还好，适合做柔性折叠。同时，碳纳米管和石墨烯导热性能也比硅的导热性好。

世界上，以美国IBM为首的众多科研团队，一直在研究碳纳米管芯片技术，也都有一些进展。但北大的科研团队最早实现5nm级晶体管器件制作，成果发表在2017年。而且最早真正实现了碳基芯片电路性能超过同规格硅基芯片，成果发表在2020年。虽然2020年的芯片是100多纳米的，好像比2017年落后很多，但这可是第一次实现碳纳米管集成电路啊，2017年的成果只是做出了晶体管，也就是零件，根本还不是电路。

二、碳基半导体基本元器件及其工作原理

碳纳米管本身是一种性能优异的半导体，两端接上金属，可以产生接界电压（学界术语应该叫

接界电势

，对于普通人来说理解电压应该更方便一些）。这种接界电压，让电流只能单向流过，类似于普通芯片中的半导体晶体管。

为了让大家理解，我们画一个示意图。小球可以在平面上自由滚动，但如果两端是斜坡，就不那么容易了。两边都是斜坡的话，必须外加一个比较大的力，才能顺利通过。现在我们在中间部位上方加一个电场，把中间部分的过道位置抬高，跟两边高度差不多，这样，小球就可以轻松穿过去了。还有一种半导体是中间高，两边低，这时候就需要加一个排斥力，把中间部位压低，跟两边差不多高，小球就也可以顺利通过了。

碳纳米管半导体也好，硅半导体也好，都是类似这样的原理。两边一边叫

源级也就是输入端

，一边叫

漏级也就是输出端

，中间加上一个门。门不开，电流不能通过。给门上施加一定的电压，就可以把门打开，电流可以顺利流过。比如N型晶体管，需要在门上加一个正电场，吸引中间p型半导体通道的电子，形成一个N型通道，消除与两边接界电压的影响。而P型晶体管，外加一个反向电压，形成一个P型通道，消除接界电压的影响。

碳基晶体管，就是

把通道换成了碳纳米管

。同时，两端的源和漏，不再是掺杂的硅，而改成特殊金属，利用金属和碳纳米管之间的接界电压，制作成半导体晶体管。目前已经成功制成了基于碳纳米管的N型晶体管和P型晶体管。其中N型晶体管选择活泼金属钪或钇做源和漏，P型晶体管主要使用惰性金属钯做源和漏。有了P型管和N型管，制作集成电路的基本零件就凑齐了。值得一提的是，现在碳纳米管的N型晶体管方案，最早也是北大的研究团队发现的。

硅基芯片为了克服固有缺陷，目前正在向三维立体结构不断演化，争取减少尺寸缩小带来的漏电效应，提高门电路控制效应。而碳基芯片，

从一开始就是三维立体的模型

，比硅基芯片更容易实现小尺寸晶体管的制造，也更容易实现电路控制。如下图：

三、碳基芯片制作工艺

了解了基本零件的原理以后，下面就是制造芯片的问题了。之所以这种芯片一直没有产业化，有很重要的原因是它的工业化生产比硅基芯片更困难。

1.制作高纯度碳纳米管

第一个难点是碳纳米管本身的制造。碳纳米管生产方法倒也不少，但要想制作出符合芯片制作要求的碳纳米管还是很难的。因为，需要把这种碳纳米管提纯到

99.9999%

，这个纯度的碳纳米管才能保障生产出来的芯片性能稳定，产品参数一致。目前从试剂公司能买到的碳纳米管最纯的大概能到99.99%，用来生产单个晶体管，搞搞科研是可以的，想生产芯片却不行。北大芯片研究团队联合国内化学科研团队，最先在高纯度碳纳米管生产上实现突破。用彭练矛院士的话说，

国内集成电路人才相对紧缺，反而材料和化工高手好找！

2.元器件组装

如果说硅基芯片的制作有点像雕刻塑像的话，碳纳米管芯片的第一步更像是往光盘上贴显微镜都看不到的瓷砖。瓷砖和瓷砖必须尽量平行，还不能挨着，得留点距离，更不能摞在一起，这个瓷砖就是碳纳米管。这是最难的一步，北大团队的方案很好地解决了这个问题。

目前已经可以在八寸晶圆上均匀摆放碳纳米管了，可以说领先世界其他团队。

贴完瓷砖也就是碳纳米管以后，要覆盖上绝缘层，把碳纳米管埋起来。接下来的步骤，就该用到光刻机了。要把碳纳米管两端加上金属电极，就得用光刻机，先刻出加金属的位置来，然后再把金属加进去。后面陆续安装其他零件、导线等，也有一些需要光刻机的步骤。换句话说，

即使用碳基芯片，也难以摆脱对光刻机的需求

，总不能用手盘它吧！

四、碳基芯片对我国意味着新的机遇

碳基芯片的研发，对于我国来说，确实是个良好的机遇。

首先，这种芯片，一旦制成，

要比同规格硅芯片性能优越得多

。目前已经可以做到8GHz的主频了，比主流的高端硅基芯片主频还高，而且还更省电。北大彭练矛院士说，争取两年内实现90nm碳基芯片的量产，其性能相当于28nm的硅基芯片。虽然不算优秀，但至少可以在很多低端场合使用了。如果掌握了量产技术以后，通过改进，按照摩尔定律，一两年内就可以实现60nm甚至45nm工艺的制造，这应该就可以媲美10nm或7nm硅基芯片了。同时，碳基芯片由于独特的性能，比硅基芯片更适合做3nm及以下工艺的芯片。

其次，虽然性能先进，但对光刻工艺要求不太高。完全可以使用现有的光刻机，对EUV光刻机的需求并不迫切。至少，还要演进3-5代以后，才需要极紫外光刻机的协助，那是10年左右的时间了。给我国自研极紫外光刻机留下了

5-10年的缓冲期

。当然，这只是我个人的猜想，具体进度可能因环境和技术的问题，而有出入。

此外，这项技术，如果把基底换成柔性材料，可以制作成

可折叠的柔性芯片

，这是硅基芯片难以实现的。在此基础上，还可以制作成

透明的芯片

，一旦应用于实践，科幻版的手机和可穿戴设备就呼之欲出了。

最后，对于华为、中兴、中芯国际等企业来说，都想获得技术优势，不被对手卡脖子。这样一项技术的前期投入，回报率是很高的。在科研已经领跑的情况下，工业化生产也必须抢跑，才能在未来有足够多的话语权。我们跟西方国家交换技术装备的筹码也就更多了。

五、光刻机必不可少

至于光刻机，这是现代化工业生产躲不开的核心设备。

不是可以轻易规避的

，除了可以生产CPU以外，像内存条、存储卡、固态硬盘这些也都需要用到光刻机。同时，光刻机制造所用到的很多核心部件，如极紫外光源、高精密光学系统（透镜、反光镜等），还有高精密操控平台等设备涉及的技术，在其他行业也有应用，不是可以轻易规避的，必须加紧研发。

我国现在面临的最大问题，不是研究跟不上，很多领域的研究是紧跟世界前沿甚至引领世界的。但在研究成果转化成工业生产这个环节上问题最大。除了高端生产设备缺乏以外，很多科研成果难以找到合适的企业进行产业化，也就只能停留在实验室阶段。所以，希望国内的高新技术企业，应该多跟科研单位对接，在一些前沿领域风险投资，提前布局。这也是我说碳基芯片值得华为投资的原因。

最后，希望我们国家能加大力度

打通产学研通道

，让先进的科研成果尽快转化成生产力。最终能在高新技术领域形成自己的产业链。

本文主要参考彭练矛团队发表于科学杂志的两篇论文和国内媒体《澎湃新闻》的访谈稿“专访北大碳基芯片团队：我们换道走了二十年，觉得能走下去”。本文原理图系作者自己绘制，请不要自行转载，谢谢！

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