早在 2018 年初，張志勇就打算按照集成電路業(yè)界的技術節(jié)點發(fā)布標準，研發(fā)基于 90nm 技術節(jié)點的碳納米管 CMOS 芯片工藝。

張志勇說：“為此，我先是考察了材料、設備、工藝技術的成熟度，然后物色和培養(yǎng)主攻這一方向的博士生林艷霞，耗時一年之久我培訓了林艷霞在器件物理和工藝上的知識?！?nbsp; 

后來，張志勇交給林艷霞一項目標：完成最小的晶體管和集成電路單元，并使用學校實驗室的研究型設備，來完成使用業(yè)界頂級設備都難以完成的工藝。

這不僅要求林艷霞要對器件物理有著深入理解，還得具備精湛的實驗技巧，最重要的是需要堅韌的品質(zhì)。

后來，林艷霞整整做了五年?！爸型居纸?jīng)歷了新冠三年，實驗斷斷續(xù)續(xù)，她也多次瀕臨情緒奔潰。印象最深的是有兩次她哭著跟我抱怨：老師為什么把這么難的事讓我做？但她還是堅持下來，完成了這項工作?！睆堉居抡f。

最終，相關論文以《將對齊的碳納米管晶體管縮放到低于 10nm 節(jié)點》（Scaling aligned carbon nanotube transistors to a sub-10nm node）為題發(fā)在 Nature Electronics[1]。

北京大學前沿交叉學科研究院博士生林艷霞和北京大學碳基電子學研究中心曹宇副研究員是共同一作，北京元芯碳基集成電路研究院、北京大學電子學院、碳基電子學研究中心彭練矛院士和張志勇教授擔任共同通訊作者。

圖丨相關論文（來源：Nature Electronics）

另據(jù)悉，目前該團隊研發(fā)的高靈敏碳納米管晶體管氫氣傳感器產(chǎn)品已經(jīng)上市，其探測限可以達到 0.5ppm，屬于最高端的氫氣傳感器產(chǎn)品，也是世界首款碳納米管芯片產(chǎn)品。

相關的碳納米管生物傳感芯片也在研發(fā)中，預計近兩年將會推向市場，以用于食品安全、病毒檢測、慢病早篩、醫(yī)學診斷等領域。

不過，要想實現(xiàn)高性能的數(shù)字集成電路還需要 CMOS 晶體管的參與，而本次研究僅僅展示了 PMOS 晶體管的尺寸縮減、以及全 PMOS 的微縮電路，因此需要進一步探索 NMOS（N-metal-Oxide-Semiconductor，N 型金屬-氧化物-半導體）晶體管的縮減，借此展示 CMOS 電路的縮減能力，以及實現(xiàn) 6T CMOS 的靜態(tài)隨機存取存儲器。

相比 PMOS 晶體管，碳基 NMOS 晶體管的縮減面臨著更大的挑戰(zhàn)。主要原因在于 NMOS 器件的源漏接觸，采用比較活潑的金屬鈧，這很容易被氧化。

特別是縮減到比較細的線條時，這會導致器件的接觸電阻劇增，進而導致器件的性能迅速惡化，故很難在保持性能的前提下，將碳管 NMOS 晶體管的整體尺寸縮減到 200nm。

因此，課題組將通過采用特殊工藝，將碳管 NMOS 器件縮減到 10nm 及以下節(jié)點，真正實現(xiàn)先進技術節(jié)點的碳管 CMOS 工藝。

另外，目前該團隊采用的工藝主要基于實驗室，而非標準的工業(yè)化技術。比如，目前學界廣泛使用的剝離工藝, 根本無法滿足大規(guī)模集成電路的實際需求，因此需要換成業(yè)界標準的干法刻蝕工藝。

所以，課題組打算發(fā)展基于碳納米管 CMOS 晶體管的標準化工藝，推進碳基芯片的工程化發(fā)展。

那么，目前碳納米管芯片處于怎樣的發(fā)展現(xiàn)狀？是否已經(jīng)或者預計何時可以投入商用？

張志勇表示：“我們在碳基材料和器件制備領域掌握了核心技術，并已初步打通材料、器件和芯片展示的主要環(huán)節(jié)，具備面向未來的技術推進能力和設備升級能力。”

結(jié)合傳統(tǒng)集成電路的加工、設計平臺和技術，以及組織管理經(jīng)驗，該團隊完全有可能在全球領域內(nèi)率先取得突破。

而隨著碳基電子技術的發(fā)展，也有望產(chǎn)生全新的芯片技術和新的產(chǎn)業(yè)鏈。從目前的技術發(fā)展趨勢來看，碳納米管芯片正處于工程化的迭代過程，未來即將形成完整的技術鏈條。

不過，要想造出能用于高端數(shù)字集成電路還需要一定的時間，因此可以采取“沿途下蛋”的方法。

具體來說，碳基電子技術將在未來 3 年左右用于傳感器芯片領域，以及在未來 5-8 年左右用于射頻芯片領域，并將在未來 15 年內(nèi)用于高端數(shù)字芯片領域。