國華的世界
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在碳納米管晶體管研製取得進展的可不止IBM一家。2013年，斯坦福大學研究團隊用178個碳納米管晶體管製造出一個碳基芯片 (圖 Google Images)。2014年，IBM拋出豪言壯語，稱要在2020年之前利用碳納米管製備出比當時最好的矽基芯片快5倍的 (碳基) 半導體芯片。2017年，IBM研究將碳納米管晶體管尺寸推進40nm，IBM還曾特別為此組建一支由Wilfried Haensch領導的碳納米管半導體技術研發的團隊。
2019年，麻省理工學院研究人員與芯片製造商Analog Devices合作，製造出全球首個全功能、可編程的16位RISC-V架構碳基處理器。該處理器能夠完整地執行整套指令集。它還執行了經典的“Hello，World！”程序的修改版本，打出了“Hello, World！I am RV16XNano，made from CNTs (你好，世界！我是RV16XNano，由碳納米管製成)” (圖 Google Images)。
目前，美國在碳納米管半導體領域發展較好的是存儲芯片製造商Nantero。根據Nantero官方信息，該公司計劃於今年晚些時候推出基於碳納米管晶體管的NRAM產品。
在不斷取得碳納米管半導體研製進展的同時，美國科研人員仍然不敢有絲毫懈怠，因為他們的中國同行也在突飛猛進的進步，甚至在有些地方似有超越美國的跡象。
毫無疑問，新的碳基半導體材料的出現，給一直為非常落後的 (矽基)半導體材料所困擾的大陸半導體產業一次翻身機會。而迄今大陸在碳基半導體材料所取得的進展表明，與世界交流頻繁的大陸學界/產業界敏銳地認識到碳基半導體材料展示的機會。迄今大陸主要從事碳基半導體材料研發的還是學界，包括北京大學和清華大學的研發團隊。
1997年，北京大學成立中國大陸第一個納米科技研究機構：北京大學納米科學與技術研究中心 (Center for Nanoscale Science and Technology, Academy for Advanced Interdisciplinary Studies, Pekin University) (圖 百度百科)。
2002年，吳德海教授領銜的清華大學團隊與美國倫斯勒理工學院 (Rensselaer Polytechnic Institute) (圖 Google Images) P.M.Ajayan教授合作，以浮動化學氣相沉積方法製備出直徑約為300至500微米的碳納米管束。同年，清華大學範守善教授領導的另一團隊報道了從碳納米管陣列拉絲製備碳納米管纖維的方法。
大陸由北京市和北京大學共同建設的北京元芯碳基集成電路研究院團隊，近年來在碳基導體材料研發上取得了尤其令人印象深刻的突破性進展。2017年，由中國科學院院士、北京大學教授彭練矛和張誌勇教授帶領的北京元芯碳基集成電路研究院團隊，首次製備出柵長5納米的晶體管，為當時世界上最小的高性能晶體管，理論上比當年綜合性能最好的矽基晶體管有10倍的綜合優勢，但能耗卻隻有矽材料晶體管25% (圖 Google Images)。彭練矛和張誌勇團隊的下一個目標，是在2-3年內完成90納米碳基CMOS先導工藝開發，性能上相當於28納米矽基器件。據團隊領袖之一的張誌勇教授表示，課題組已可在8英寸晶圓上製備，“這是一種可以量產的技術，且在快速發展。”非常重要的是，碳基集成電路生產不但兼容傳統的矽基集成電路生產設備，而且其工藝流程要比矽基集成電路生產更加簡潔。
同樣是這支北京大學研究團隊 (北京元芯碳基集成電路研究院)，以《用於高性能電子學的高密度半導體碳納米管平行陣列》(Aligned, high-densitysemiconducting carbon nanotube arrays for high-performance electronics)為題，於2020年5月22日在線《Science》(第368卷6493期850～856頁)，發表了一種全新的碳納米管製備方法，首次同時實現了碳納米管晶體管的高密度、高純度要求 (圖 Google Images)。在製備碳納米管方麵取得了世界先進性成果。使用該方法製備的碳納米管純度可達到99.9999%，陣列密度達到120/微米。這一技術有望將集成電路技術推進到3nm節點以下！這一最新進展還被學術期刊《自然·電子學》收錄。
北京大學一支碳納米半導體材料研究團隊的成果還上了全球頂級學術期刊《自然·電子學》(Nature Electronics)，該課題組研發出一種可“抗輻射”的碳納米管晶體管和集成電路、可用於航天航空、核工業等有較強輻照的特殊應用場景。此項研究成果意味著中國碳基半導體研究成功突破抗輻照這一世界性難題，為研製抗輻照的碳基芯片打下了堅實基礎。激動人心的消息不斷傳來。
很快，美國麻省理工學院的研發團隊也傳來了碳納米管研究的最新進展。2020年6月1日，由麻省理工學院電氣工程和計算機科學助理教授馬克斯·舒拉克 (Max Shulaker) (圖 Google Images) 領導的團隊在《Nature》子刊《Nature Electronics》雜誌上，發表了題為《在商用矽製造設施中製造碳納米管場效應晶體管》（Fabrication of carbon nanotube field-effect transistors in commercial silicon manufacturing facilities）的文章，展示了如何在200毫米的標準晶圓上批量製造碳納米管場效應晶體管 (CNFETs) (圖 Google Images)。舒拉克團隊改進了一種將襯底浸沒在納米管溶液的沉積技術，對標準納米管沉積溶液工藝進行優化，將少量的納米管溶液沉積在晶圓上，顯著提高了吞吐量，加快了沉積過程的速度超過1,100倍，同時降低了成本。舒拉克團隊的製備方法的重大意義在於其商用價值，因為製備是在商業矽基線上做的，從而讓工業設備製造碳管成為可能。其迅速商用的能力還體現在給予支持的實體企業 - 商業矽製造廠ADI (Analog Devices Inc.) 和 半導體代工廠 SkyWater Technology 均以資金和生產設備深度參與該項研發。
顯然，處於當前全球碳管芯片研究最前沿的，要數美國 MIT 舒克拉團隊和大陸北大彭練矛團隊。MIT 舒克拉團隊的商用前景要頗為樂觀。因為其團隊使用改進後的方法在ADI和SkyWater製造出了CNFET。他們能夠使用這兩家工廠製造矽基晶圓現有設備，同時也確保了納米管溶液符合這兩家工廠對化學和汙染物的嚴格要求。此外，MIT 團隊在 PDK 和 EDA 工具開發、係統設計、工藝工程化等方麵更具優勢。
相較於舒拉克團隊，北大彭練矛團隊在碳基集成電路技術的基礎- 高性能碳基晶體管和高質量碳納米管材料方麵，具有領先優勢，一些成果已經做到世界最佳。但是，實驗室做出的樣品與商業化量產有著巨大的差距，因為實驗室在可能不考慮成本、無時間限製的條件下成功的做出一件、兩件、三件、或n件樣品。而最終要在實體企業商業化量產的產品則需要穩定、高效、可控。而企業合作是目前大陸最大的短板。在 PDK 和 EDA 工具開發、係統設計、工藝工程化等方麵，大陸 (彭練矛團隊) 也不占優。有消息透露，華為目前已和彭練矛團隊接觸。
大陸目前從事碳納米材料研發、生產的企業代表有楚江新材、銀龍股份旗下碳基研究院、中科電氣、丹邦科技等。在這些公司中，丹邦科技可以算是碳基半導體領域的一支強勁力量。丹邦科技成立於2001年，專門從事撓性電路與材料的研發和生產，是深圳證券交易所中小板上市企業。2019年，丹邦科技自主研發的KPI量子碳基薄膜成功試生產 (圖 Google Images)。作為世界上唯一具備TPI量子碳基薄膜量產能力的企業，據稱其技術已被蘋果、華為看中。有消息稱華為已經進入中試階段。TPI量子碳基薄膜具有多層石墨烯結構，主要用於手機、芯片、筆電、柔性屏散熱等使用場景。6月30日，丹邦科技披露了其2019年年度報告。數據顯示，2019年丹邦科技營業收入為約3.47億元，其中PI膜業務約占167萬，占比0.48%。
世界，尤其是中美兩國的科研人員在碳基半導體研發方麵正不斷取得的激動人心的發現，意味著新的、比現有的矽基半導體更具優勢的碳基半導體，正日愈走近我們。相應地，現有的半導體製造工藝也可能需要調整，改進。那麽半導體製造業會重新洗牌嗎？
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*筆者非半導體專業出身，本博文亦非專業論文。純屬興趣愛好，收集相關資料後，與同樣感興趣的人士分享。如有不準確之處，歡迎評論指正。
參考資料
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1. Si 矽：襯底就是純矽，導電性不好。但是可通過蝕刻和摻雜，直接在襯底的表麵做成N型或P型半導體，做成晶體管。然後在上麵造多層銅導線，把晶體管連起來。
2. GaN 氮化镓：自身是N型半導體，摻雜可成為P型半導體。襯底必須是異質材料，常用藍寶石（氧化鋁），導電性不好。
3. 碳：碳納米管作為半導體，估計要做在導電性不好的襯底上。
這篇很好： https://www.zhihu.com/question/26998618
芯片裏麵有幾千萬的晶體管是怎麽實現的？
至於GaN（氮化嫁）、SiC（碳化矽,含碳吧？） ，不妨參閱以下文獻 - 1. https://baike.baidu.com/item/%E6%B0%AE%E5%8C%96%E9%95%93%E5%9F%BA%E5%8F%91%E5%85%89%E4%BA%8C%E6%9E%81%E7%AE%A1/19446925；
2. https://epc-co.com/epc/GalliumNitride/WhatisGaN.aspx；https://www.arrow.com/en/research-and-events/articles/gan-vs-silicon-semiconductor-materials-compared; https://en.wikipedia.org/wiki/Gallium_nitride; 3. https://baike.baidu.com/item/%E7%A2%B3%E5%8C%96%E7%A1%85/245856；4. https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=42; https://en.wikipedia.org/wiki/Silicon_carbide。再次感謝你的關注, 周末愉快。
碳基，其實基質用的矽質，並不含碳？
所以碳基和 GaN、SiC 是平行的技術，可以同時運用？或是不必同時運用？