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破解中国集成电路产业“卡脖子”问题——北京大学碳纳米管芯片技术成果推介

admin2022-09-0210

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  芯片是信息科技的基础与推动力,是当今工业时代的核心产业。目前芯片产业已经上升至国家战略高度,十四五规划建议指出,十四五期间的产业发展将更加注重“补短板”,努力实现高端芯片、底层算法、高端制造等重点行业中关键领域的自主可控。然而,现有的硅基芯片制造技术即将触碰其极限,碳纳米管技术被认为是后摩尔技术的重要选项。

  相对于传统的硅基CMOS晶体管,碳纳米管晶体管具有明显的速度和功耗综合优势。IBM的理论计算表明,若完全按照现有二维平面框架设计,碳纳米管技术相较硅基技术具有15代、至少30年以上的优势。此外,Stanford大学的系统层面的模拟表明,碳纳米管技术还有望将常规的二维硅基芯片技术发展成为三维芯片技术,将目前的芯片综合性能提升1000倍以上,从而将物联网、大数据、人工智能等未来技术提升到一个全新高度。

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  从2001年开始,北京大学团队在国家“973”计划、重大科学研究计划和国家重点研发计划项目,国家基金委创新研究团队和北京市科委连续6年的支持下,在碳基电子器件相关材料和制备工艺的研究中取得一系列突破性进展,发展了一整套碳纳米管CMOS集成电路和光电器件的无掺杂制备新技术。该技术的核心为放弃掺杂,通过控制电极材料达到选择性地向晶体管注入电子或空穴,实现晶体管极性的控制。团队首次实现了5纳米栅长的碳纳米管CMOS晶体管,由此证明了在亚10nm的技术节点,碳纳米管晶体管在性能和功耗综合指标上较最先进的硅基CMOS器件具有10倍以上的优势,并接近由量子测不准原理决定的电子器件理论极限(Science,2017, 355:271)。此外,团队发展并采用在完整硅晶片或标准显示玻璃面板上规模制备高纯碳纳米管薄膜技术,制备出速度达到单晶硅水平的5.54GHz环振电路(Nature Electronics, 2018, 1:40)和中等规模的高性能碳基CMOS集成电路(ACS Nano, 2017, 11:4124)。

  2018年,团队针对功耗已经成为当今集成电路的发展的瓶颈现状,重新审视了传统晶体管功耗的物理极限,提出并制备了一种新型超低功耗晶体管—狄拉克源晶体管(Science 2018,361:387),该技术采用具有特定掺杂的狄拉克半金属(石墨烯)作为源端,实现了超越常规金属和半导体的“冷”电子源,大幅降低了传统晶体管工作所需驱动电压,为超低功耗纳米电子学的发展奠定了基础,极大推进了碳纳米管集成电路的竞争力和实用化发展。该技术可用于计算机及智能手机芯片、新一代柔性集成电路、医用可穿戴传感器、显示屏驱动器、军用抗辐照芯片等。

  喜迎二十大,奋进新征程。2022年9月1日,由中国高等教育学会组织开展的“高等教育这十年 ——新时代、新科技、新内涵”云端系列活动将在云上高博会服务平台正式上线。

  活动设立了“守正创新·教育现代化成果展”“开拓创新·高校科技创新成果展”“实践创新·大学生创新创业成果展”三大展区以及一系列行业云端研讨会,对企业、高校、大学生优秀创新创业成果进行集中展示,探索产业发展新模式、新合作、新思路。

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