标签：半导体材料

起碳化硅晶片，大家也许会觉得很陌生。但在我们熟知的电动汽车和5G通信中，它却发挥着举足轻重的作用。5G之所以速度快，是因为它有一颗非常强大的心脏，这个心脏依赖的就是一片薄如纸的碳化硅晶片。虽然从外表看只是个小圆片，但作为目前全球最先进的第三代半导体材料，碳化硅晶片具有其他材料不具备的诸多优点，是制造高温、高频、大功率半导体器件的理想衬底。除电动汽车、5G通信外，在国防、航空航天等领域，碳化硅晶片也有着广阔的应用前景，它的研究和应用极具战略意义，有着不可替代的优势，被视作国家新一代信息技术核心竞争力的重要支撑。5月12日，习近平总书记来到山西转型综合改革示范区政务服务中心改革创新展厅，了解示范区改革创新发展情况。位于示范区内的中国电科（山西）碳化硅材料产业基地，就是全国最大生产规模的碳化硅生产基地。

从长期依赖进口、被国外“卡脖子”，到掌握批量生产技术、实现完全自主供应，近年来，中国的碳化硅研制与生产成效卓著。这小小的晶片里蕴含着哪些创新技术？研发制造过程中又运用了哪些高超工艺？让我们一探究竟。

① 晶片有什么用途？

每生产一辆电动汽车，至少要消耗一片碳化硅

厚度0.5毫米，约为5张A4纸的厚度；直径4英寸或6英寸，和一张CD光盘差不多。这样一个薄薄的圆片，就是碳化硅晶片。而就是这样一个薄片，市场售价却在2000美元左右，还经常是“一片难求”。

碳化硅晶片为何这么抢手？这还要从碳化硅这一材料说起。

碳化硅材料作为成熟的第三代半导体材料，具有耐高温、大功率、高频等天然优势，在新能源汽车、智能电网、轨道交通、工业电机、5G通信等领域展现出极大的应用潜力，在许多战略行业都有重要应用价值。与普通硅相比，碳化硅器件的耐压性是同等硅器件的10倍。同时，碳化硅材料对电力的能耗极低，是一种理想的节能材料。如果按照年产40万片碳化硅晶片算，仅仅应用在照明领域，每年减耗的电能就相当于节省2600万吨标准煤。

记者了解到，目前，碳化硅制成的晶片主要应用在两个方面。一个是作为衬底用于制作射频器件，比如今年政府工作报告提到的新基建中的5G基站建设、城际高速铁路、新能源汽车充电桩等。就5G基站建设来说，5G之所以传输速度快，是因为它有强大的5G芯片。而碳化硅晶片，就是5G芯片最理想的衬底。“现在咱们家里边也有5G的一些小路由器，但它只是在室内，辐射距离很短，5G基站的辐射范围至少要达到几公里。这么高的功率，用碳化硅替代硅做射频器件，就可以让设备的体积做得更小，还能降低能量损耗、增加设备在恶劣环境下的可靠性。”山西碳化硅生产企业——中国电子科技集团公司（以下简称中电科）技术总监魏汝省介绍道。

碳化硅晶片的另一个作用是用于制造电力电子器件，比如三极管，主要的应用领域是电动汽车。魏汝省表示：“目前，电动汽车的续航还是个问题。如果用上碳化硅晶片的话，就能在电池不变的情况下，使汽车的续航力增加10%左右。虽然碳化硅在电动汽车上的应用才刚刚起步，尚在开发中，但每生产一辆电动汽车，至少要消耗一片碳化硅，所以发展前景广阔。”

除了功能强大，碳化硅晶片之所以如此珍贵的另一个更为重要的原因，是碳化硅器件对工艺要求很高。其中，高稳定性的长晶工艺技术是其核心，原来只有美国等少数发达国家掌握，全球也仅有极少数企业能商业化量产。我国的碳化硅晶体研究起步较晚，20世纪90年代末才刚刚开始。但近年来，我国在碳化硅晶片领域奋力追赶，从基本原理研究和基础实验做起，逐渐掌握了碳化硅晶片技术，一步一步，从实验室走向了产业化。2018年，中电科二所历经11年艰苦攻关，在国内率先完成4英寸高纯半绝缘碳化硅单晶衬底材料的工程化和6英寸高纯半绝缘碳化硅单晶衬底的研发，一举突破国外对我国碳化硅晶体生长技术的长期封锁。如今，国内已经实现了6英寸碳化硅晶片和外延片的研制，晶体质量接近国际水平。

② 晶片制造难在哪里？

晶体中连头发丝几十分之一细的微管都不能有

“碳化硅具有十分稳定的特性，所以在一些恶劣环境下仍可稳定工作。也正是因为稳定的化学键，碳化硅生产的技术门槛非常高。”谈起碳化硅晶片研制之难，中国科学院半导体研究所副所长张韵列举了以下几个方面，“碳化硅晶锭生长条件苛刻，需要高温（~2600℃）和高压（>350MPa）生长环境；晶体生长速度缓慢，产能有限，质量也相对不稳定；受到晶片生长炉尺寸限制，束缚了晶锭尺寸；碳化硅属于硬脆材料，硬度仅次于金刚石，切割难度大，研磨精度难控制。”

要想生产出高质量的碳化硅晶片，必须攻克这些技术难关。“咱们国内就射频器件方面一年就有10万片的需求量，国外又对此类产品封锁禁运，核心技术花钱是买不来的，只有自力更生，才能彻底解决被‘卡脖子’的问题。”中电科总经理李斌向记者介绍了碳化硅晶片的复杂生产过程，“把高纯度的碳化硅粉料放到长晶炉里加热到2000多摄氏度，让颗粒直接汽化，再控制它重新结晶，长成一个直径为4英寸或6英寸的圆饼状晶锭。之后，我们用很多根直径仅0.18微米的金刚石线，同时切下去，把晶锭切成一片一片的圆片。每一片圆片再放到研磨设备里，把两边磨平，最后进行抛光，得到透明玻璃片一样的晶片。”

目前，生产碳化硅晶片的两大关键技术是晶体生长和晶片的切割抛光。张韵表示，上游企业所生产的晶片尺寸和质量会影响下游碳化硅器件的性能、成品率及成本。只有把衬底质量做好了、成本降低了，才能让下游的科研机构或者企业不再束手束脚，有更多的机会去多做器件级研究。

记者了解到，一个直径4英寸的晶片一次可做成1000个芯片，而6英寸的晶片一次可做成3000个芯片，所以直径大的晶片更有优势。从2英寸到6英寸，其中的关键是扩晶技术。“碳化硅晶片是由一个种子开始一层层生长起来的，从2英寸长到3英寸再到6英寸。在这个生长过程中，晶体很容易出现缺陷。”中电科生产主管毛开礼说，“我们的一个指标叫微管，就是晶体中出现的大概只有头发丝几十分之一细的一个管状孔洞，眼睛是看不到的。一旦出现微管，整个晶体就不合格了。由于温度太高，没办法进行人工干预，所以整个生长过程就如同‘蒙眼绣花’，这恰恰是晶片最核心的技术。解决这个技术难题，我们用了七八年的时间。”

碳化硅晶片的加工也是一个艰难过程。毛开礼表示，晶片的粗糙度要求是表面起伏小于0.1纳米，国内现在是采用化学和机械联合的方式进行抛光。“从技术上来说，我们的一个圆片原来切完的话，可能是700-800微米厚，而最终产品要求是500微米，所以相当于要磨掉几百微米。现在我们通过技术改进，切完大概就是550微米，只需磨掉50微米左右，整个生产成本有了大幅降低。”

③ 晶片量产前景如何？

600台长晶炉、18万片年产量，彻底摆脱进口依赖

今年3月，中国电科（山西）碳化硅材料产业基地在山西转型综合改革示范区正式投产，第一批设备正式启动。基地一期项目可容纳600台碳化硅单晶生长炉，项目建成后将具备年产10万片4-6英寸N型碳化硅单晶晶片、5万片4-6英寸高纯半绝缘型碳化硅单晶晶片的生产能力，是目前国内最大的碳化硅材料产业基地。这一基地的启动，将彻底打破国外对我国碳化硅封锁的局面，实现碳化硅的完全自主供应。

在基地的碳化硅生产车间，白色的长晶炉一字排开，碳化硅晶片正在里面安静生长。李斌介绍：“现在，咱们所使用的粉料合成设备、长晶炉，都是自己研发、自己生产的全国产化的设备。设备的配套产品和功能元器件能满足长期、稳定、可靠使用的要求，同时节能效果好，具有连续工作高稳定性和良好精度保持性。”

对于国内半导体领域来说，产业化规模效应，不仅降低了碳化硅晶片的成本，也不断促使碳化硅晶片质量提升。据李斌介绍，目前国际上碳化硅晶片的合格率最高是70%-80%，而原来国内实验室生产的碳化硅晶片的合格率仅有30%。但在碳化硅产业基地，这个合格率可以达到65%。

实现这样高的合格率，一个是靠先进的设备，一个是靠管理。毛开礼介绍：“我们把所有的工艺分成若干段，增加了大量的一线工人，每段每个人只干这一件事情，不仅效率会提高，而且出错率也大幅降低，因为原来一个人要参与前前后后大概有三四十道工序，不利于专业化，出错率就会很高。”

目前，基地已经实现4英寸晶片的大批量产，6英寸高纯半绝缘碳化硅单晶衬底也已经开始工程化验证，为客户提供小批量的产品试用，预计年底达到产业化应用与国际水平相当。展望未来，李斌信心满满地说，“在碳化硅领域，我们要紧跟国际的脚步，因为目前我国在第三代半导体材料上跟国际的差距相对较小，我们要保证不能掉队。习近平总书记说过，核心技术靠化缘是要不来的。在关键领域、卡脖子的地方要下大功夫。现在我们在实现迅速研发的同时也进一步开展量产，三年内整个项目要达到18万片每年的产能。另外，我们目前在进行8英寸晶片的研究，希望三年之后，我们能有8英寸的样片出来。因为晶片是整个碳化硅产业链的上游，要走到器件研究的前面。”

（山西转型综合改革示范区纪检监察工作委员会对本文亦有贡献）

近日，西安市高陵区引进国家战略新兴产业、推动高质量发展取得新突破，6月5日，上海博康项目正式签约落户高陵。

据西安晚报报道，上海博康光刻设备及光刻材料项目总占地200亩，总投资13亿元，满产后年产值20亿元以上，年贡献税收1亿元以上。

博康落户高陵，既填补了全市半导体光刻领域产业的空白，也将吸引电子信息产业聚集，拉伸先进制造产业链条，为西安产业动能转换和经济结构优化升级做出积极贡献。

资料显示，博康集团成立于2018年，注册资本1亿元，主要从事化工科技、生物科技、材料科技、机电科技领域内的技术开发、技术咨询、技术转让、技术服务，光刻材料、半导体新型材料的研发及销售，化学试剂（除医疗、诊断试剂）、化工原料及产品（除危险化学品、监控化学品、烟花爆竹、民用爆炸物品、易制毒化学品）、包装材料、橡胶制品、塑料制品、机电设备、集成电路软件、实验室设备的销售，集成电路生产设备研发、设计、制造及售后技术服务等业务。

据悉，为确保项目顺利落地，高陵区将严格落实重点项目包抓责任制，成立由区委书记、区长牵头的项目服务保障专班，对项目落地和建设中不重视不积极、工作措施不力、进展缓慢甚至迟迟没有进展的，高陵区委区政府将实行重点督办和约谈问责，确保项目年底前开工建设、早日投产达效。

近日，浙江华正新材料股份有限公司（以下简称“华正新材”）发布公告称，拟使用募集资金46,000万元对全资子公司杭州华正新材料有限公司（以下简称“杭州华正”）增资用于募投项目实施。本次增资完成后，杭州华正注册资本由16,600万元人民币增加至62,600万元人民币。

根据该公司在《华正新材2019年度非公开发行A股股票预案（修订稿）》中披露的募集资金投资项目情况，本次非公开发行募集资金总额不超过65,000万元（含65,000万元），扣除发行费用后募集资金净额将用于投资年产650万平米高频高速覆铜板青山湖制造基地二期项目和补充流动资金。

据披露，华正新材非公开发行人民币普通股（A股）股票12,695,312股，发行价格为51.20元/股，募集资金总额为649,999,974.40元，扣除各项发行费用人民币16,273,957.49元（不含增值税），实际募集资金净额为人民币633,726,016.91元。

本次募投项目“年产650万平方米高频高速覆铜板青山湖制造基地二期项目”实施主体为公司全资子公司杭州华正，将使用募集资金46,000万元向杭州华正增资用于募投项目实施。本次增资完成后，杭州华正注册资本由16,600万元人民币增加至62,600万元人民币，仍为华正新材的全资子公司。

资料显示，杭州华正成立于2015年，注册资本16,600万元，经营范围为复合材料、电子绝缘材料、覆铜板材料、高频高速散热材料、印 制线路板、蜂窝复合材料、热塑性蜂窝复合板的销售、技术开发、制造。

华正新材指出，公司本次以募集资金对全资子公司增资事项是根据公司披露的募集资金使用计划而执行的必要措施，符合募集资金使用计划，有助于推进募投项目的顺利实施，有利于提高募集资金使用效率，符合公司的发展战略，符合公司及全体公司的利益。

据淄博发布指出，总投资20亿元的绿能芯创碳化硅芯片项目预计年底前一期就可投产，目前项目投产前的各项工作正在紧张进行，达产后可实现年产值50亿元，带动上下游产业链产值过百亿元。

2019年12月，绿能芯创与山东淄博签署合作协议，2020年2月，该项目在2020年淄博市重大项目集中开工仪式上正式开工。

北京绿能芯创碳化硅芯片项目负责人、北京绿能芯创电子科技有限公司联合创始人、执行长廖奇泊此前介绍，绿能芯创碳化硅芯片项目建设的6吋碳化硅芯片生产线，总投资20亿元，一期投资5亿元，全部投产后可达月产1万片，年收入可达30亿元，该产线主要从事大功率分立器件、芯片系列产品的设计、制造，以及功率模块应用、制造流程的研发。

淄博发布指出，该产线是世界第三条，也是国内第一条达到量产规模的碳化硅芯片产线。资料显示，北京绿能芯创电子科技有限公司成立于2017年12月，是一家专业从事半导体功率器件设计、制造工艺开发、市场应用、销售的芯片设计公司。

6月2日，合肥新站高新区招商项目集中签约暨重点项目集中开工动员会举行，85个总投资额超600亿元项目在合肥新站高新区集中签约、开工。

据新站高新区相关负责人介绍，此次签约的项目总投资221.9亿元人民币，开工项目总投资383.48亿元人民币，涵盖新型显示、集成电路、装备制造、新能源、新材料等领域。

其中，上海新阳半导体材料股份公司半导体第二生产基地项目也正式签约。

2019年10月22日，上海新阳发布公告称，与合肥新站高新技术产业开发区管委会签订《上海新阳半导体材料股份有限公司第二生产基地项目投资合作协议》，启动位于合肥新站高新技术产业开发区的第二生产基地项目建设，主要从事用于芯片制程使用的关键工艺材料的研发、生产和销售。

该项目占地115亩，主要从事用于芯片制程使用的关键工艺材料的研发、生产和销售。一期投资约3亿元，占地50亩，达产后形成年产15000吨超纯化学材料产品(其中：芯片铜互连超高纯电镀液系列产品4500吨；芯片高选择比超纯清洗液系列产品8500吨；芯片高分辨率光刻胶系列产品500吨；芯片级封装与集成电路传统封装引线脚表面处理功能性化学材料1500吨)的生产能力。

在投资金额方面，根据上海新阳当时公告，该项目总投资约6亿元人民币，不过，在此次签约中，该项目投资金额显示为7亿元，这意味着，上海新阳或增加了合肥新站高新区半导体第二生产基地项目的投资金额。

随着半导体产业快速持续的发展，上海新阳目前的产能已不足以满足未来客户需求，扩大产能成为迫切需要。上海新阳指出，该项目的投产将使公司超纯化学材料产品的产能获得极大提高。

6月1日，江丰电子发布公告，为推动半导体材料产业发展，拟在分别上海、江西两地投资设立新的全资子公司。公告显示，江丰电子第二届董事会第二十七次会议审议通过了《关于在上海新设全资子公司的议案》、《关于在江西新设全资子公司的议案》。

基于公司战略发展规划，为了充分利用上海的交通、信息、科技等资源，推动公司半导体材料产业的发展，公司拟以货币方式出资人民币1000万元，在上海市奉贤区投资设立新的全资子公司上海江丰半导体技术有限公司（名称以相关部门的核准为准）。

同样基于公司战略发展规划，为了推动公司半导体材料产业的发展，江丰电子拟以货币方式出资人民币1000万元，在江西省投资设立新的全资子公司江西江丰特种材料有限公司（名 称以相关部门的核准为准）。

江丰电子表示，本次在上海市奉贤区投资设立新的全资子公司，有利于推动公司半导体材料产业的发展，建立公司在全国产业链的布局，从而增强公司的综合竞争力；同时，上海市是我国经济、金融、贸易、航运、科技创新中心，此举可进一步利用上海的交通、信息、科技、人力资源等的综合优势，积极开拓全国和海外市场，符合公司发展战略，对公司长远发展具有积极意义和推动作用。

江西省的陶瓷产业发展基础深厚，拥有人才、技术、工艺等优势，公司本次在江西省投资设立新的全资子公司，有利于推动公司半导体材料产业的发展，建立公司在全国产业链的布局，从而进一步增强公司的综合竞争力。

据淄博发布指出，总投资20亿元的绿能芯创碳化硅芯片项目预计年底前一期就可投产，目前项目投产前的各项工作正在紧张进行，达产后可实现年产值50亿元，带动上下游产业链产值过百亿元。

2019年12月，绿能芯创与山东淄博签署合作协议，2020年2月，该项目在2020年淄博市重大项目集中开工仪式上正式开工。

北京绿能芯创碳化硅芯片项目负责人、北京绿能芯创电子科技有限公司联合创始人、执行长廖奇泊此前介绍，绿能芯创碳化硅芯片项目建设的6吋碳化硅芯片生产线，总投资20亿元，一期投资5亿元，全部投产后可达月产1万片，年收入可达30亿元，该产线主要从事大功率分立器件、芯片系列产品的设计、制造，以及功率模块应用、制造流程的研发。

淄博发布指出，该产线是世界第三条，也是国内第一条达到量产规模的碳化硅芯片产线。资料显示，北京绿能芯创电子科技有限公司成立于2017年12月，是一家专业从事半导体功率器件设计、制造工艺开发、市场应用、销售的芯片设计公司。

6月2日，合肥新站高新区招商项目集中签约暨重点项目集中开工动员会举行，85个总投资额超600亿元项目在合肥新站高新区集中签约、开工。

据新站高新区相关负责人介绍，此次签约的项目总投资221.9亿元人民币，开工项目总投资383.48亿元人民币，涵盖新型显示、集成电路、装备制造、新能源、新材料等领域。

其中，上海新阳半导体材料股份公司半导体第二生产基地项目也正式签约。

2019年10月22日，上海新阳发布公告称，与合肥新站高新技术产业开发区管委会签订《上海新阳半导体材料股份有限公司第二生产基地项目投资合作协议》，启动位于合肥新站高新技术产业开发区的第二生产基地项目建设，主要从事用于芯片制程使用的关键工艺材料的研发、生产和销售。

该项目占地115亩，主要从事用于芯片制程使用的关键工艺材料的研发、生产和销售。一期投资约3亿元，占地50亩，达产后形成年产15000吨超纯化学材料产品(其中：芯片铜互连超高纯电镀液系列产品4500吨；芯片高选择比超纯清洗液系列产品8500吨；芯片高分辨率光刻胶系列产品500吨；芯片级封装与集成电路传统封装引线脚表面处理功能性化学材料1500吨)的生产能力。

在投资金额方面，根据上海新阳当时公告，该项目总投资约6亿元人民币，不过，在此次签约中，该项目投资金额显示为7亿元，这意味着，上海新阳或增加了合肥新站高新区半导体第二生产基地项目的投资金额。

随着半导体产业快速持续的发展，上海新阳目前的产能已不足以满足未来客户需求，扩大产能成为迫切需要。上海新阳指出，该项目的投产将使公司超纯化学材料产品的产能获得极大提高。

6月1日，江丰电子发布公告，为推动半导体材料产业发展，拟在分别上海、江西两地投资设立新的全资子公司。公告显示，江丰电子第二届董事会第二十七次会议审议通过了《关于在上海新设全资子公司的议案》、《关于在江西新设全资子公司的议案》。

基于公司战略发展规划，为了充分利用上海的交通、信息、科技等资源，推动公司半导体材料产业的发展，公司拟以货币方式出资人民币1000万元，在上海市奉贤区投资设立新的全资子公司上海江丰半导体技术有限公司（名称以相关部门的核准为准）。

同样基于公司战略发展规划，为了推动公司半导体材料产业的发展，江丰电子拟以货币方式出资人民币1000万元，在江西省投资设立新的全资子公司江西江丰特种材料有限公司（名 称以相关部门的核准为准）。

江丰电子表示，本次在上海市奉贤区投资设立新的全资子公司，有利于推动公司半导体材料产业的发展，建立公司在全国产业链的布局，从而增强公司的综合竞争力；同时，上海市是我国经济、金融、贸易、航运、科技创新中心，此举可进一步利用上海的交通、信息、科技、人力资源等的综合优势，积极开拓全国和海外市场，符合公司发展战略，对公司长远发展具有积极意义和推动作用。

江西省的陶瓷产业发展基础深厚，拥有人才、技术、工艺等优势，公司本次在江西省投资设立新的全资子公司，有利于推动公司半导体材料产业的发展，建立公司在全国产业链的布局，从而进一步增强公司的综合竞争力。

如果硅基走到了尽头，那么全球半导体产业必须找到新的材料“续命”。2009年，半导体技术发展路线图委员会(ITRS)将碳基纳米材料列入延续摩尔定律的未来集成电路技术选项，但是在其后的时间里，碳纳米材料的研究进展并没有给业界交出满意答卷。

近日，中国科学院院士、北京大学电子学系教授彭练矛和张志勇教授团队宣布他们把碳基半导体技术从实验室研究向产业化应用推进了一大步。5月22日，该团队在《科学》(Science)杂志发表《用于高性能电子学的高密度半导体碳纳米管平行阵列》论文，介绍了其最新发展的多次提纯和维度限制自组装方法。由于解决了长期困扰碳基半导体材料制备的问题，这个方法的成果令业界振奋，但从实验室到产业化还必须经历漫长的路。

高性能碳纳米管的重大飞跃

每一种技术都有它的生命周期，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之一。

相对于传统的硅基CMOS晶体管，碳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，碳管技术相较硅基技术具有15代、至少30年以上的优势。斯坦福大学的系统层面的模拟表明，碳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。

业界对碳纳米管寄予厚望，2017年在台积电IEDM大会上，台积电CTO孙元成就报告了关于碳纳米管的消息。

但碳管技术“理想很丰满，现实很骨感”，碳基在理论上和模拟层面的理想值曾让IBM和英特尔为此进行了很多年的探索，但是都遇到了瓶颈。2005年，Intel的器件专家发表论文，结论是无法制备出性能超越硅基n型晶体管的碳纳米管器件，其后Intel放弃了碳基集成电路技术。在技术路线上，IBM与英特尔都选择了传统的“掺杂”工艺制备碳纳米管晶体管。

彭练矛院士和张志勇团队在2001年进入该领域，选择了与英特尔IBM不同的另外一条路，发展了一整套碳纳米管CMOS集成电路和光电器件的“无掺杂制备技术”。在2017年首次制备出栅长5纳米的碳管晶体管这一世界上迄今为止最小的高性能晶体管，综合性能比当时最好的硅基晶体管领先10倍，接近了量子极限，该成果的论文发表在2017年的《科学》杂志上。

2018年，该团队再次突破了传统的理论极限，发展出新原理的超低功耗的狄拉克源晶体管，能够满足未来超低功耗集成电路的需要，为超低功耗纳米电子学的发展奠定了基础，该论文发表在2018年的《科学》杂志上。

在今年5月22日发表在《科学》杂志的论文上，彭练矛院士和张志勇教授团队阐述了其最新发展的多次提纯和维度限制自组装方法。这个方法解决了长期困扰碳基半导体材料制备的材料纯度、密度和面积问题，纯度达到了99.99997%左右，密度从5纳米到10纳米，每微米100根到200根碳纳米管，这个材料基本上具备了做大规模集成电路的可能性。

在此论文发表后，杜克大学教授Aaron Franklin说，10年前他帮助IBM公司确定了碳纳米管纯度和密度的目标，当时很多人认为这无法实现。现在彭练矛和张志勇团队实现了突破，“这确实是一项了不起的成就，是高性能碳纳米管晶体管的重大飞跃。”Aaron Franklin表示。

北京碳基集成电路研究院的技术人员向记者表示，碳基技术有着比硅基技术更优的性能和更低的功耗，性能功耗综合优势在5到10倍，这意味着碳基芯片性能比相同技术节点的硅基芯片领先三代以上。比如采用90纳米工艺的碳基芯片有望制备出性能和集成度相当于28纳米技术节点的硅基芯片;采用28纳米工艺的碳基芯片则可以实现等同于7纳米技术节点的硅基芯片。这为已经走在极限值边缘的全球半导体产业打开了另外一扇大门。

对于彭练矛院士团队的突破，元禾璞华管理合伙人、投委会主席陈大同表示：“彭院士团队对于碳基半导体的研究绝对是世界级原创性技术，具有前瞻性，未来在半导体材料和芯片领域有非常大的优势和机会。”2019年，中国科学院微电子所叶甜春所长在参观完4英寸碳基半导体实验线时曾表示：“碳基半导体的研究和工业化实践是中国第三代半导体产业中不可缺少的一个重要组成部分。”

碳基半导体需穿越“死亡谷”

世界的进步需要科学家不断发现新物质规律和新理论，但从一扇窗变成一条新路，需要庞大的创新链齐心协力。在硅基的技术路线上我们一直跟随，在碳基路线上中国科学家已经从理论和实验上实现了世界级的突破。接下来我们该如何从实验室的“123”，穿过“456”的“死亡谷”，进入到产业化的“789”呢?

记者还记得2017年采访彭练矛院士和张志勇教授时他们的焦虑：一个颠覆性技术，从实验室到产业界，中间还需要进行工程化研究，只有工程化、成熟化的技术，产业界才敢接手。

北京碳基集成电路研究院于2018年9月正式登记成立，它的发起单位有北京大学、中科院微电子所等多家单位，彭练矛院士担任院长。业内人士都知道著名的比利时IMEC(大学校际微电子研究中心)实验室，早期是由政府投资，现在其80%的收入来自企业，这个顶级的实验室对于全球集成电路发展做出了巨大贡献。包括英特尔、ARM、台积电等许多业界巨头都是它的客户，这些巨头的新技术在进入大规模生产线之前，其新技术工程化都交给IMEC来完成。碳基集成电路的发展同样需要这样的机构。目前来看，北京碳基集成电路研究院的目标是希望成为碳基集成电路产业的“IMEC”。

彭练矛对《中国电子报》记者表示：“北京碳基集成电路研究院希望能够在工程化方向上不断前进，做技术成熟度由4到8的事情，最终将技术转给企业。产业化和商业化的事情一定要由公司来做，研究院是做技术研发的。”

应该说，这次北京碳基集成电路研究院的“多次提纯和维度限制自组装方法”问世，将碳基技术从实验室向工业化推进了一大步，那么下一步还有哪些挑战，还有哪些“死亡谷”需要穿越?

行业分析人士对《中国电子报》记者表示：“这是很令人兴奋的事情，但是从论文到新技术再到产品到商品有很长的路要走，需要进一步加大研发。目前已经有很多新材料被研发出来，包括氮化镓、碳化硅等，但从长期来看，硅还是难以被取代的。”

半导体业内分析人士韩晓敏认为，碳基是集成电路重要发展方向之一，但是目前产业生态中愿意跟进的企业还不多。还需进一步突破成本限制，在设备和器件等工艺方面还需建立成熟的规范流程，在产品方向上，与硅基芯片结合不紧密的领域有望最先突破。

从实验室到产业化，中间的“死亡谷”有哪些“陷阱”和挑战?本源量子是中国一家量子计算领域的创业公司，本源量子副总经理张辉在接受《中国电子报》记者采访时表示，从科研品到工业品，其中面临的挑战包括资金的持续保证、理念的转变以及与现有产业的兼容等。“与现有产业的兼容至关重要，如果现有半导体产业从仪器、设备、工艺流程上可大部分借用，那么将大大提升产业跟进的速度。”他说。

事实上，硅基集成电路产业之所以有今天的丰富、成熟生态，每一个环节都投入巨大。英特尔每年的研发投入占销售收入超过20%，台积电过去5年的研发投入是3440亿元。也正是因为如此，产业链很难“弃硅另起炉灶”，所以兼容至关重要。

那么硅基生态链上相关技术与工艺设备流程，比如光刻机、软件设计工具、测试仪器、生产工艺流程等，在碳基上是否能用?彭练矛院士给出的答案是：“使用率大约能达到80%~90%，但碳管材料的清洗、刻蚀等步骤需要特殊处理，碳管器件的模型需要单独建立。”

目前解决了碳纳米材料的纯度、密度问题。“下一步还需要确保材料的工艺稳定性和均匀性，更重要的是和其他器件和IC制备的良好兼容性，这是一个综合的事情。现代芯片制备有上千个步骤，其中一步做不好，就没有好的产品。最后是一个系统优化的问题，材料、器件、芯片设计等密不可分。”彭练矛说。

碳纳米管未来有很好的应用前景。“由于碳基材质的特殊性，它能让电路做到像创可贴一样柔软，这样的柔性器械如果应用于医疗领域，将使患者拥有更加舒适的检查体验;在一些高辐射、高温度的极端环境里，碳基材质所制造出的机器人可以更好地代替人类执行危险系数高的任务;碳基技术若应用到智能手机上，因其拥有更低的功耗，将使待机时间延长。”张志勇向记者介绍说。

5月26日，北京碳基集成电路研究院举行成果发布仪式。TCL等几家大企业的工业研究院相关人员也有到场，工业界关注的焦点是什么?“工业界还是关注技术何时能够成熟到可以被使用，包括成本和可靠性等工程问题。”彭练矛表示，这本就是企业该做的。

而工业界很难在一项技术还没看到投资回报时进行投入，如果碳基技术想要工程化，需要北京碳基集成电路研究院成为碳基领域的“IMEC”。记者了解到，如果要继续往前推进，北京碳基集成电路研究院按照200人的规模，再加上实验平台，每年需要的资金约为2亿元，并且需要确保十年以上的资金投入，约为20亿元。但是直到现在，还没有企业关注到该研究院的价值。

不久前，阿里巴巴宣布未来3年将投入2000亿元来研发芯片、云操作系统等，而腾讯云宣布将投入5000亿元进行新基建相关技术的研发。在云计算的竞争越来越激烈的当下，从云操作系统到芯片全线布局，正在成为越来越多的巨头的选择。目前阿里巴巴已经有了“平头哥”这家芯片公司，那么未来腾讯有没有可能也会进入芯片领域呢?如果有可能，期望中国的巨头企业能够看到这样的信息，能够关注到“碳基”集成电路的新机会。