中国创新碳纳米管制备方法：纯度达99.9999%阵列密度达120/微米_风闻

智东西5月27日消息，近日，北京元芯碳基集成电路研究院研发了一种全新的碳纳米管制备方法。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。通过这一技术，研究人员有望将集成电路技术推进到3nm节点以下。

北京元芯碳基集成电路研究院是在北京市科委指导下，由北京大学等单位发起的集成电路研发机构，研究成果有完整的碳基集成电路技术和三维光电集成系统等。

对于这项研究成果，研究团队领导者、北大教授、中科院院士彭练矛称，目前已有多家厂商对这项碳纳米管制备技术表现出兴趣，双方正在进行沟通，计划在未来2～3年内投资一到两亿元建设工艺先导线。

这项研究发表在权威学术期刊《Science》上，论文标题为《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-density semiconducting carbon nanotube arrays for high-performance electronics）》。

论文链接：https://science.sciencemag.org/content/368/6493/850

一、碳管之殇：性能超越硅管，但纯度、阵列密度难提升

摩尔定律预言，集成电路上可容纳的晶体管数目约每隔两年会增加一倍。晶体管数目越多，集成电路的计算性能越强，相应就能带来更多经济效益。目前的集成电路市场上，硅基半导体是主流。研究人员通过改进晶体管架构方式，使硅基半导体的制程工艺朝3nm迈进。但是，由于硅基晶体管的材料限制，进一步提升晶体管密度将会越来越难。因此，有人提出，可以用其他材料制备晶体管，以进一步提升晶体管密度。

研究人员认为，在各种创新材料中，碳基材料适合承担制备晶体管的任务。1998年，美国一项研究证实，碳纳米管直径在1nm左右，长度可以做到很长，能够满足摩尔定律继续发展的要求。2017年，北京元芯碳基集成电路研究院一项研究证明，碳纳米管集成电路的运行速度可达到硅晶体管集成电路的5倍以上。2018年，北京元芯碳基集成电路研究院进一步证明了碳纳米管集成电路的功耗仅有硅晶体管集成电路的1/3。

尽管早在1998年，学界就证明了碳纳米管的直径可以做到比硅晶体管更小。但是，22年过去，碳纳米管集成电路研究领域始终没有激起什么“大水花”。这是因为碳纳米管在纯度、阵列密度方面的技术瓶颈难以攻破。

据北大电子系教授张志勇讲解，为了满足大规模高性能集成电路的导电性要求，需要半导体碳管纯度达到大于99.9999%、或者金属型碳管含量小于0.0001%。另外，为了满足摩尔定律进一步发展的要求，还要找到一种高取向阵列方法，提升碳纳米管的排列密度。现有技术水平无法制备出同时符合这两项要求的碳晶体管。

二、两道工艺解痛点，碳晶体管排列首次位于可实用化区间

本项研究中，研究人员用两道工艺实现了半导体碳管阵列：用多次聚合物分散和提纯工艺得到超高纯度碳纳米管溶液，用维度限制自排列法提升碳纳米管的阵列密度。

在多次聚合物分散和提纯工艺中，研究人员采用PCz作为碳管的分散剂，反复3次进行分散、提纯、抽滤、清洗的步骤。

▲多次聚合物分散和提纯

维度限制自排列工艺制备碳管的装置是一个全自动机械臂，夹住碳管从溶液中以固定缓慢的速度匀速拉出。

▲维度限制自排列法

通过这种方法，研究人员在4英寸晶圆上制备出直径分布1.45±0.23nm的碳纳米管阵列，并对其进行测试。

研究人员用光谱表征晶体管纯度，对200万根沟道中的碳管进行测试。测试结果中没有显示出金属管的迹象，这说明半导体纯度定量高于99.9999%。

▲半导体纯度定量高于99.9999%

对碳管阵列的平行度表征显示，碳晶体管阵列实现了在器件沟道中的密排要求，碳管阵列的密度达到120/微米。

▲碳管阵列的密度达到120/微米

研究人员称，这种方法制备的碳晶体管阵列同时在密度和纯度上达到了要求，是国际上首次位于可实用化区间内的解决方案。

三、碳晶体管集成电路性能超越硅基电路

基于这种方法，研究人员批量制备了场效应晶体管和环形振荡器电路。结果显示，100nm栅长的碳基晶体管跨导和饱和电流分别达到了0.9mS/㎛和1.3mA/㎛。室温下，亚阈值摆幅为90mV/dec。研究人员还批量制备了五阶环形振荡器电路，成品率超过50%，最高震荡频率达到8.06Hz。

研究人员称，这一结果远超已发表的基于纳米材料的电路，而且首次超越了相似尺寸的硅基CMOS器件和电路。

结语：碳基晶体管进一步发展需要产业力量推动

北京元芯碳基集成电路研究院的研究人员研发了一种碳纳米管制备方法，通过这种方法制备的碳纳米管的纯度和阵列密度都达到了世界领先水平。研究人员表示，目前正与感兴趣的厂商积极接洽，期待能够借助行业力量推动碳纳米管技术最终工业化、产业化。

同时，研究人员也坦承，这种碳纳米管制备方法还仅是一项学术成果，距离产业化有不小的距离。他说：“如果两三年大家都到位的话，我相信很快就能把它（工艺先导线）做出来……但最终工业化、产业化的事情需要市场来决定。”他表示，研究团队缺乏做产品的经验，期待全链条的产业力量积极介入。