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。
大到航空航天、金融保险、卫生医疗等领域，小到智能手机、家用电器等数码家电所使用芯片绝大部分采用硅基材料的集成电路技术，该领域的最新技术进展被国外厂家长期垄断，国内所需要的高端芯片则大多依赖进口。经过多年研究与实践，北京大学碳基团队与北京元芯碳基集成电路研究院解决了长期困扰碳基半导体材料制备的瓶颈，如材料的纯度、密度与大面积制备问题，实现了从0到1的突破，从无到有地发展了整套自主的碳芯片技术。由中国科学院院士彭练矛、北京大学碳基电子学研究中心教授张志勇带领的科研技术团队，经过二十多年研究，取得了一系列突破性进展，该项成果已被收录在国际顶级期刊《科学》中。
从硅基“换道”碳基 材料“未到”自己做
2020年，课题组突破了半导体碳纳米管关键的材料瓶颈，使其制备出的器件和电路在真实电子学表现上首次超过了对应的硅基技术。
彭练矛认为，这是碳基集成电路兑现其理论潜力的第一步。虽然碳基纳米材料在2009年就作为未来技术选项列入国际半导体技术发展路线图（ITRS），美国IBM公司仿真结果认为平面结构碳管阵列晶体管领先硅基5个技术节点，但至此，半导体碳纳米管集成电路才算拿出了比肩传统技术的真实表现，远远领先其他非硅半导体材料。
集成电路涉及复杂而漫长的生态链，后续的互联、封装、测试并非团队擅长的环节。从硅基换道碳基，张志勇教授表示，想要走通这条新路，早已做好了面对很多“坑”的准备。
事实上，这次取得的突破属于材料领域，也并非该团队的“老本行”。“我们是拿着材料负责设计和制造晶体管的，只是等材料太久没有等到，才自己做了。”张志勇说。
最初的7年里，彭练矛、张志勇团队按照国际上的主流路径，一路“跟车”，磕磕碰碰，终于在2007年形成了基础性的碳管制备技术，在碳基芯片领域正式入场。在“跟车”的这段时间里，他们始终没有等到碳管材料领域出现重大突破，于是接下去的10年里，课题组放弃传统掺杂工艺，研发了一整套高性能碳纳米管晶体管的无掺杂制备方法，突破碳基N型MOS管制备的难题。
2017年，团队首次制备出栅长5纳米的晶体管，为世界上迄今最小的高性能晶体管，理论上相比当时同尺寸的硅基晶体管具有10倍本征性能功耗综合优势，成果首次登上《科学》杂志。2018年，团队在超低功耗晶体管上取得了重要突破，发明了“冷源”晶体管，为集成电路发展的另外一个瓶颈——功耗提出了全新的解决方案，该成果使团队第二次登上《科学》杂志。
团队这种提纯技术，在聚合物选择、多次提纯工艺和聚合物分离方面进行了许多改进。虽然是进军不熟悉的领域，课题组团队潜心研究，最终在国际上实现超越。
研究团队在进行碳基半导体的研制
碳基半导体 让中国芯“弯道超车”
据统计，中国每年进口芯片的花费超过3000亿美元，甚至超过了进口石油的花费。采用硅以外的材料做集成电路，包括锗、砷化钾、石墨烯和碳，一直是国外半导体前沿的研究热点。而碳基半导体则具有成本更低、功耗更小、效率更高的优势。
碳基半导体是个全新的起点，尚没有任何国家和团队建立起绝对优势，而彭练矛、张志勇团队在材料和晶体管性能方面技术领先。在芯片产业自主可控愈益紧迫的当下，碳纳米管或能成为中国半导体产业“变道超车”的机会。
彭练矛院士表示：“我们的碳基半导体研究是代表世界领先水平的，而碳基半导体产业化的推动，须由政府主导，产业界配合。我们只能在小规模上慢慢努力，当然新的可能性有可能带来新的前景，也有失败的可能性。但除了碳管技术，其他材料离硅技术还差的远。碳纳米管是已经展示出的最有前景的技术。从我们20年工作经验来看，也没有发现可能阻止这项技术推进的障碍。”
彭练矛介绍说，短期来讲，5G技术的来临将使城市变成“智慧城市”，信息化、工业化、城镇化深度融合，市民衣食住行会发生很大改变，幸福指数也会随之升高。“智慧城市”离不开海量的数据运算，需要有强大处理能力的芯片支撑。“智慧城市”的背后，是一个个处理速度更快、体积更小、功耗更低、性能更好的芯片组成的电子高速通道网。5G之后的6G技术将对芯片有更高要求，碳基芯片无疑将成为支撑基于这些技术运行的智慧城市发展的最佳选择。
碳基集成技术具有更好的工艺兼容性，可以实现柔性、透明等新形态芯片。与国外硅基技术制造出来的芯片相比，我国碳基技术制造出来的芯片在处理大数据时不仅速度更快，而且至少节约30%的功耗。碳基技术在不久的将来可以应用于国防科技、卫星导航、气象监测、人工智能、医疗器械等多重领域。
8英寸晶圆上的碳纳米管阵列材料
国家“奋进新时代”主题成就展中，北大碳基作为创新型国家成果进行展示。
健康医疗、可穿戴电子设备、物联网和生物兼容性器件……彭练矛建议，碳基半导体产业化可以优先从这些领域突破。他表示，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，这样的柔性器械在医学领域，可以充分利用碳基材料能弯曲、折叠、扭曲、压缩、拉伸甚至变成任意形状的特点，制作成柔性电子检测传感器。同时碳基传感器的灵敏度非常高，可以对癌症、心脑血管疾病、遗传疾病和传染病等做出早期诊断。值得关注的是，碳基传感器成本低易于推广，体积小便于携带，同时，在一些高辐射、高温度的极端环境里，采用碳基技术制造出的机器人将更好的代替人类执行危险系数更高的任务。
面对未来，彭练矛认为，要在相关技术成熟后着手产业化投入。“碳基技术有望全方位影响现有半导体产业格局。我国应抓住这一历史机遇，从材料开始，总结过往经验，通过发展碳基芯片，实现中国芯的弯道超车。”
