中國碳基半導體核心研究團隊三年三篇成果上“科學”雜誌

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5月26日,由北京大學電子學系彭練矛院士和張志勇教授團隊在國際頂級科學期刊《科學》(“Science”)上發表的研究論文,把碳基半導體技術從實驗室研究向工業化應用推進了一大步,該項技術如應用在手機晶片上,至少提速五倍、節電三倍。

此次在國際頂級科學期刊《科學》(“Science”)以長文形式刊登的題為“用於高效能電子學的高密度半導體碳奈米管平行陣列”(“Aligned, high-density semiconducting carbon nanotube arrays for high-performance electronics”)論文,報導了該團隊最新發展的多次提純和維度限制自組裝方法,在四英寸基底上製備了密度高達120/微米、半導體純度超過99.9999%、直徑分佈1.45±0.23 nm的碳奈米管平行陣列,並在此基礎上首次實現了效能超越同等柵長矽基CMOS技的電晶體和電路,突破了長期以來阻礙碳奈米管電子學發展的瓶頸,首次在實驗上顯示了碳奈米管器件和積體電路相對於傳統技術的效能優勢,顯示了碳奈米管電子學在其他材料中鮮有的優勢,為推進碳基積體電路的實用化和工業化發展奠定了基礎。

《科學》期刊專注出版重要的原創性科學研究論文,為全世界最權威的學術期刊之一,接收文章的發表率只有不到10%。彭院士和張教授的團隊多年致力於發展高效能碳基電子學,已經先後於2017年和2018年先後在《科學》期刊上發表過兩篇論文。此次於5月22日《科學》刊發的文章中,闡述了團隊克服了碳奈米管電子學領域面臨的最大的困難和碳基半導體工業化最大的瓶頸,即基礎製備材料中的難題,製備出超高半導體純度、順排、高密度、大面積均勻的碳奈米管陣列薄膜,進而製備出高效能的、首次超越相似尺寸的矽基CMOS器件和電路。

論文第一作者為北京大學電子系博士研究生劉力俊和北京元芯碳基積體電路研究院工程師韓傑,張志勇教授和彭練矛院士為文章的共同通訊作者,湘潭大學湖南省先進感測與資訊科技創新研究院、浙江大學、北京大學納光電子前沿科學中心等單位相關研究人員也參與了合作。據悉,該研究已得到國家重點研發計劃“奈米科技”重點專項、北京市科學技術委員、國家自然科學基金委等專案資助。

碳基資訊器件技術充分利用碳奈米管等新型奈米半導體材料獨特的物理、電子、化學和機械優勢,有望產生效能優異、功耗低的資訊處理晶片,更為靈敏、形態更為豐富的感測器,以及工作頻段更高、速度更快的通訊晶片,並有望實現這些功能晶片的在片三維整合,構建出效能更高、對抗能力更強的資訊處理系統。

據瞭解,彭院士、張教授帶領的團隊將在碳基半導體從材料、器件製備、積體電路設計和加工、碳基晶片的應用等方面將多年來的研究成果和國家引導的產業升級專案更緊密的結合起來,我國在碳基資訊電子器件領域具有紮實的基礎和較強的研究能力,已處於世界先進水平,科研人員建議應充分抓住時間視窗,利用新技術的紅利,形成全新的、自主的資訊器件技術。文/北京青年報記者 李佳

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