在碳纳米管晶体管研制取得进展的可不止IBM一家。2013年，斯坦福大学研究团队用178个碳纳米管晶体管制造出一个碳基芯片 (图 Google Images)。2014年，IBM抛出豪言壮语，称要在2020年之前利用碳纳米管制备出比当时最好的硅基芯片快5倍的 (碳基) 半导体芯片。2017年，IBM研究将碳纳米管晶体管尺寸推进40nm，IBM还曾特别为此组建一支由Wilfried Haensch领导的碳纳米管半导体技术研发的团队。

2019年，麻省理工学院研究人员与芯片制造商Analog Devices合作，制造出全球首个全功能、可编程的16位RISC-V架构碳基处理器。该处理器能够完整地执行整套指令集。它还执行了经典的“Hello，World！”程序的修改版本，打出了“Hello, World！I am RV16XNano，made from CNTs (你好，世界！我是RV16XNano，由碳纳米管制成)” (图 Google Images)。

目前，美国在碳纳米管半导体领域发展较好的是存储芯片制造商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。

在不断取得碳纳米管半导体研制进展的同时，美国科研人员仍然不敢有丝毫懈怠，因为他们的中国同行也在突飞猛进的进步，甚至在有些地方似有超越美国的迹象。

毫无疑问，新的碳基半导体材料的出现，给一直为非常落后的 (硅基)半导体材料所困扰的大陆半导体产业一次翻身机会。而迄今大陆在碳基半导体材料所取得的进展表明，与世界交流频繁的大陆学界/产业界敏锐地认识到碳基半导体材料展示的机会。迄今大陆主要从事碳基半导体材料研发的还是学界，包括北京大学和清华大学的研发团队。

1997年，北京大学成立中国大陆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 (Center for Nanoscale Science and Technology, Academy for Advanced Interdisciplinary Studies, Pekin University) (图 百度百科)。

2002年，吴德海教授领衔的清华大学团队与美国伦斯勒理工学院 (Rensselaer Polytechnic Institute) (图 Google Images) P.M.Ajayan教授合作，以浮动化学气相沉积方法制备出直径约为300至500微米的碳纳米管束。同年，清华大学范守善教授领导的另一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。

大陆由北京市和北京大学共同建设的北京元芯碳基集成电路研究院团队，近年来在碳基导体材料研发上取得了尤其令人印象深刻的突破性进展。2017年，由中国科学院院士、北京大学教授彭练矛和张志勇教授带领的北京元芯碳基集成电路研究院团队，首次制备出栅长5纳米的晶体管，为当时世界上最小的高性能晶体管，理论上比当年综合性能最好的硅基晶体管有10倍的综合优势，但能耗却只有硅材料晶体管25% (图 Google Images)。彭练矛和张志勇团队的下一个目标，是在2-3年内完成90纳米碳基CMOS先导工艺开发，性能上相当于28纳米硅基器件。据团队领袖之一的张志勇教授表示，课题组已可在8英寸晶圆上制备，“这是一种可以量产的技术，且在快速发展。”非常重要的是，碳基集成电路生产不但兼容传统的硅基集成电路生产设备，而且其工艺流程要比硅基集成电路生产更加简洁。

同样是这支北京大学研究团队 (北京元芯碳基集成电路研究院)，以《用于高性能电子学的高密度半导体碳纳米管平行阵列》(Aligned, high-densitysemiconducting carbon nanotube arrays for high-performance electronics)为题，于2020年5月22日在线《Science》(第368卷6493期850～856页)，发表了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 (图 Google Images)。在制备碳纳米管方面取得了世界先进性成果。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。这一技术有望将集成电路技术推进到3nm节点以下！这一最新进展还被学术期刊《自然·电子学》收录。

北京大学一支碳纳米半导体材料研究团队的成果还上了全球顶级学术期刊《自然·电子学》(Nature Electronics)，该课题组研发出一种可“抗辐射”的碳纳米管晶体管和集成电路、可用于航天航空、核工业等有较强辐照的特殊应用场景。此项研究成果意味着中国碳基半导体研究成功突破抗辐照这一世界性难题，为研制抗辐照的碳基芯片打下了坚实基础。激动人心的消息不断传来。

很快，美国麻省理工学院的研发团队也传来了碳纳米管研究的最新进展。2020年6月1日，由麻省理工学院电气工程和计算机科学助理教授马克斯·舒拉克 (Max Shulaker) (图 Google Images) 领导的团队在《Nature》子刊《Nature Electronics》杂志上，发表了题为《在商用硅制造设施中制造碳纳米管场效应晶体管》（Fabrication of carbon nanotube field-effect transistors in commercial silicon manufacturing facilities）的文章，展示了如何在200毫米的标准晶圆上批量制造碳纳米管场效应晶体管 (CNFETs) (图 Google Images)。舒拉克团队改进了一种将衬底浸没在纳米管溶液的沉积技术，对标准纳米管沉积溶液工艺进行优化，将少量的纳米管溶液沉积在晶圆上，显著提高了吞吐量，加快了沉积过程的速度超过1,100倍，同时降低了成本。舒拉克团队的制备方法的重大意义在于其商用价值，因为制备是在商业硅基线上做的，从而让工业设备制造碳管成为可能。其迅速商用的能力还体现在给予支持的实体企业 - 商业硅制造厂ADI (Analog Devices Inc.) 和 半导体代工厂 SkyWater Technology 均以资金和生产设备深度参与该项研发。

显然，处于当前全球碳管芯片研究最前沿的，要数美国 MIT 舒克拉团队和大陆北大彭练矛团队。MIT 舒克拉团队的商用前景要颇为乐观。因为其团队使用改进后的方法在ADI和SkyWater制造出了CNFET。他们能够使用这两家工厂制造硅基晶圆现有设备，同时也确保了纳米管溶液符合这两家工厂对化学和污染物的严格要求。此外，MIT 团队在 PDK 和 EDA 工具开发、系统设计、工艺工程化等方面更具优势。

相较于舒拉克团队，北大彭练矛团队在碳基集成电路技术的基础- 高性能碳基晶体管和高质量碳纳米管材料方面，具有领先优势，一些成果已经做到世界最佳。但是，实验室做出的样品与商业化量产有着巨大的差距，因为实验室在可能不考虑成本、无时间限制的条件下成功的做出一件、两件、三件、或n件样品。而最终要在实体企业商业化量产的产品则需要稳定、高效、可控。而企业合作是目前大陆最大的短板。在 PDK 和 EDA 工具开发、系统设计、工艺工程化等方面，大陆 (彭练矛团队) 也不占优。有消息透露，华为目前已和彭练矛团队接触。

大陆目前从事碳纳米材料研发、生产的企业代表有楚江新材、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KPI量子碳基薄膜成功试生产 (图 Google Images)。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%。

世界，尤其是中美两国的科研人员在碳基半导体研发方面正不断取得的激动人心的发现，意味着新的、比现有的硅基半导体更具优势的碳基半导体，正日愈走近我们。相应地，现有的半导体制造工艺也可能需要调整，改进。那么半导体制造业会重新洗牌吗？

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*笔者非半导体专业出身，本博文亦非专业论文。纯属兴趣爱好，收集相关资料后，与同样感兴趣的人士分享。如有不准确之处，欢迎评论指正。

参考资料

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