碳基晶片效能確實優於矽基晶片但離商用還很遠

1947年貝爾實驗室演示了基於鍺的半導體電晶體，開啟了資訊時代的新篇章。緊隨其後的矽電晶體在1954年問世，很快就成為了積體電路技術的主流。歷經60多年，“摩爾定律”已經被矽基晶片跑得奄奄一息。很多人開始提出疑問晶片是否應該在材料學上來一次“換道”，才能根本性地解決當下整個晶片產業的現狀。

在矽基晶片不斷試圖在單位面積內容納下更多的電晶體來提高晶片的效能的時候，人們一直也沒有停下探索新材料的步伐，碳的優越特性成為了最佳選擇，更為重要的是碳基晶片製造不需要經歷矽基晶片拋光、光刻、蝕刻、離子注入等等一系列複雜工藝。

什麼是碳基晶片？

我們都知道晶片中的電晶體就是半導體，我們不妨來看看它的結構。柵極和溝道區域之間有一層高K節電材質（絕緣層），透過施加在柵極的電壓在溝道區域產生電場，從而切斷電流的流動，控制溝道的導通和關斷。柵極和溝道區域有一層絕緣層，最早這層絕緣層是用二氧化矽來構成，隨著電晶體尺寸的縮小，絕緣層就變得越來越薄了，這樣就可以透過更小的電壓來控制電流，從而降低能耗。但絕緣層太薄，隨之而來的就是量子隧穿效應，電子能夠輕易透過它，所以後面就使用了具有較高介電常數的材料（比如二氧化鉿）來作為絕緣層。

碳基晶片是利用單個碳奈米管或者碳奈米管陣列作為溝道材料，它允許電子從源極流到漏極。源極和漏極也不再摻雜矽，而是改用特殊的金屬，利用金屬與碳奈米管之間的結電壓來製作電晶體。比如N型碳電晶體使用活性金屬鈧或釔來作為漏極，P型碳電晶體使用惰性金屬鈀作為源極。

矽電晶體為了克服固有缺陷所以不得不朝著三維立體結構不斷演化來克服量子隧穿效應，而碳基電晶體一開始就是三維模型，每一個碳奈米管的直徑為1nm，它比矽基電晶體更容易實現更小尺寸，而2nm或已經達到了矽電晶體的極限了。另外碳奈米管不管是電子的傳導速度還是熱傳遞效能都是矽的成百上千倍，但功耗卻是矽電晶體的十分之一。

碳基晶片離商用還很遠

基於碳的N型半導體、P型半導體已經有了，碳奈米管場效應電晶體也有了。在《自然》、《科學》雜誌上也曾出現了多篇碳電晶體的論文。IBM為首的眾多科研團隊一直在研究碳奈米管技術，2017年北大的科研團隊最早實現5nm級碳電晶體元器件。為了推動碳奈米管電路的可行性MIT研究團隊甚至釋出了全球首個超過14000個碳奈米電晶體的通用計算晶片。

實際上碳基晶片上世紀就已經提出來了，並且被預言未來最終會取代矽基晶片，但直到現在還沒有實現。碳基晶片效能確實超越了同規格的矽基晶片，但製作工藝還遠遠不如矽基晶片成熟。大家都是摸著石頭過河的架勢，我國屬於比較超前的位置，一旦有所突破，將來可能不是彎道超車，而是直道超越。我國甚至將碳基材料納入國家原材料工業“十四五”規劃，近幾年更是湧現了很多碳基晶片相關企業。

碳基晶片商用很遠，但碳基晶片的未來確實很值得期待。