$天奈科技(SH688116)$ 碳纳米管应用（二）碳基芯片
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本文码于24年10月21日晚，为什么选择这个时间发布碳纳米管应用之碳基芯片的这篇长文，因为越来越多的朋友因为固态电池关注了$天奈科技(SH688116)$ ，关注到了单壁碳纳米管这个顶级的新材料，但二级市场远远没有认识到这种材料的优越性和应用空间，也没有准确的定价$天奈科技(SH688116)$ 这家全球碳纳米管绝对龙头的公司，因此在这个周末选择更新这篇文章，聊一聊碳纳米管之碳基芯片，本文较长，但逻辑清晰，内容完整，仔细阅读一定会有收获。
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（一）为何是碳纳米管芯片？
晶体管是集成电路芯片中最重要的部分，对于逻辑电路来说，超过90%的现代芯片由场效应晶体管（FET）构成，后者分为电子型和空穴型。这两类晶体管相当于人的两条腿，配对工作可以使人平衡、往前走得更快。虽然器件有非常多的种类，但最核心、最关键的并不多，只要把最重要的晶体管性能做好，就能够实现赶超。本世纪以来，整个晶体管的尺寸进入了亚100纳米技术水平，晶体管性能已不能简单地靠缩小体积来实现所需要的算力提升，材料的进步已经成为晶体管技术进步的主要推动力，需引入各种各样的新技术、新材料、新结构、新原理。但这样的组合非常复杂，例如7纳米晶体管制备需要2000多个步骤，使用了元素周期表上大概一半的元素，要想进一步改进非常困难。随着“后摩尔时代”的到来，芯片设计与制造中的短沟道效应成为了提高芯片性能的障碍。为适应高端信息产业飞速增长的需求，需要从根本上解决高性能、低能耗的半导体材料的制备问题。
未来，非硅基材料和可能发展的技术有很多。2009年，国际半导体技术蓝图（ITRS）路线图委员会（IRC）选择碳基纳米电子学作为重点关注和投资的技术。碳纳米管作为一种一维狄拉克材料，其电子和空穴的有效质量为零，因而使其载流子迁移率高达 100000cm2/(V·s)。由碳纳米管制备的场效应管呈现出理想的弹道输运特性，在耐受电流密度、开关速度、开关比、迁移率等多项指标中均较硅基金属-氧化物-半导体(MOS)晶体管有多个数量级的提高。碳纳米管（1D）和传统硅（3D）比较，电子有效质量是硅材料的1/3，速度是10倍。IBM的“后硅时代”预测，碳纳米管技术的优势在于材料结构和物性优势，使碳纳米管晶体管实现高速、低功耗。更重要的是，碳纳米管的低温制备使得3D芯片制备成为可能，而3D芯片在结构理论上可将芯片的性能提高成百上千倍，特别是对于AI计算，最高可实现1900多倍的性能提升。正是由于这些优异的材料性质，碳纳米管在集成电路、光电器件、智能存储等高端半导体领域成为理想的候选材料。
碳纳米管水平阵列是碳基芯片材料的核心，碳纳米管水平阵列是指生长于平整基底上且与沿基底平行排列的一种碳纳米管类型。与其他类型的碳纳米管相比，水平阵列类型的碳纳米管具有很低的结构缺陷和优异的力学、电学、热学性能，同时碳纳米管水平阵列定向性良好，其传输的单一方向性有利于高品质碳纳米管场效应晶体管(FET)的大面积集成。更为重要的是，半导体型碳纳米管具有非常高的电子和空穴迁移率，单个碳纳米管FET 器件与同样尺寸的硅基器件相比，速度上具有5倍以上的优势，而功耗仅相当于硅基器件的 1/10，碳纳米管作为新一代电子材料具有不可替代的优势。碳纳米管在逻辑集成密度极高的互补金属氧化物半导体(CMOS)集成电路和场效应晶体管(FET)方面展现了出色的优势和前景。
（二）碳纳米管水平阵列在微电子学领域的进展
2003年Ali等科研人员通过高功函数的金属钯作为电极，首次实现了碳纳米管场效应晶体管的高效弹道输运。随后，Zhang等科研人员发现金属钪(Sc)和钇(Y)可以和半导体型碳纳米管的导带形成完美的电子型欧姆接触。在此基础上，通过缩减沟道长度，研究团队首次制备出了碳纳米管弹道电子型晶体管，其性能逼近量子极限，在速度和功耗上均远超同等尺度的硅基器件。2017年，IBM 研究者使用钼金属来直接接驳碳纳米管端部，使整个碳纳米管 FET的接脚面积被压缩至40 nm2，这个数字成为了“国际半导体技术发展路线图”(ITRS)近十年来的新标杆。目前，基于单根半导体型碳纳米管已经实现了最短沟道 5 nm 的碳纳米管FET 的加工，其性能已超越CMOS-FETs[图 (a)~(d)]
此外，基于碳纳米管的柔性CMOS集成电路也突破了刚性基体的限制并实现了非常高的电流密度、大电流开关比、高的场效应流速等性能[图(e)]
2021年，Liu等科研人员成功实现了超高半导体纯度、超顺排、高密度、大面积均匀的碳纳米管阵列薄膜的制备，并在此基础上批量制备了碳纳米管FET，100 nm栅长的碳基晶体管跨导和饱和电流分别达到了0.9 mS/μm和1.3 mA/μm，室温下亚阈值摆幅为90 mV/dec。他们还批量制备了五阶环形振荡器电路，成品率超过 50%，最高振荡频率达到 8.06 Hz[图(g)]。
该工作首次实现了性能超越同等栅长硅基 CMOS 的晶体管和电路，达到了超大规模碳管集成电路的需求，突破了长期以来阻碍碳纳米管电子学发展的瓶颈，首次在实验上显示了碳纳米管器件和集成电路相对于传统技术的性能优势，把碳基半导体技术从实验室研究向工业化应用推进了一大步。基于碳纳米管 FET 的优异性能，继斯坦福大学研究者于2013年成功研制出第一代碳纳米管基计算机，Hills等科研人员于2019年制造出完全由碳纳米管FET构成的 16位微处理器[图(h)]
这是迄今为止用碳纳米管制造的最大的计算机芯片，是新型芯片制造的一个重大里程碑。此外，在芯片上利用单壁碳纳米管水平阵列集成的单热电离子发射器可缩小至纳米级(组装密度高达0.4×107 根/平方厘米)，开关响应时间比常规发射器提高了5个数量级[图 (i)~(k)]，在微型真空电子器件中具有广阔的应用前景。
目前国内碳纳米管芯片主要有三大科研团队 分别是中科院院士、材料物理学家、北京大学电子学院院长、北京邮电大学集成电路学院院长、中国碳基芯片领军人彭练矛院士和张志勇教授带领的北大系团队，清华系团队——清华大学化工系张如范和魏飞课题组，中科院苏州纳米所赵建文团队。这三大团队紧密联合，通力合作，曾多次联合课题组进行碳基芯片的研究和论文发表。
我国目前在碳基芯片领域是具备优势的，彭练矛团队在2017年首次制备出栅长5纳米的碳管晶体管这一世界上迄今为止最小的高性能晶体管，综合性能比当时最好的硅基晶体管领先10倍，接近了量子极限，该成果的论文发表在2017年的《科学》杂志上。2018年，该团队再次突破了传统的理论极限，发展出新原理的超低功耗的狄拉克源晶体管，能够满足未来超低功耗集成电路的需要，为超低功耗纳米电子学的发展奠定了基础，该论文发表在2018年的《科学》杂志上。
2020年5月22日发表在《科学》杂志的论文上，彭练矛院士和张志勇教授团队阐述了其最新发展的多次提纯和维度限制自组装方法。这个方法解决了长期困扰碳基半导体材料制备的材料纯度、密度和面积问题，纯度达到了99.99997%左右，密度从5纳米到10纳米，每微米100根到200根碳纳米管，这个材料基本上具备了做大规模集成电路的可能性。
2021年北大团队负责的北京市重点研发项目中的“90纳米碳基集成电路关键工艺研究通过了专家组的验收。根据已有研究成果估算，90纳米碳基集成电路技术可达到硅基主流28纳米技术节点的综合性能。因此，90纳米集成电路技术是碳基集成电路技术走向应用的关键节点。该课题在开展过程中，克服了场地和设备上的种种困难，在90纳米碳基技术的材料制备、关键工艺及器件性能、应用探索等方面均取得了可喜成果：在材料方面，研发了高半导体纯度（99.9999%以上）、密度可调控（50根/um-200根/um）的高质量8英寸碳管阵列薄膜材料，国际上首次将碳管材料推进到业界公认的集成电路可用的有效区间；在工艺和性能方面，实现了满足90纳米技术节点的线条宽度和间距以及对于所用金属、介质的高效刻蚀工艺，能够开展90纳米技术节点的碳基晶体管流片，制备出了相同技术节点下碳基中全球性能最好、优于硅基商业器件的晶体管；在应用探索方面，发挥碳基材料性能和器件结构简化优势，开发了性能最好的碳基高频射频器件、高灵敏的气体和生物传感芯片、辐照免疫的器件和电路，展示了碳基集成电路的应用前景。这些都为后续90纳米碳基集成电路完整工艺以及先导线建设打下了坚实的基础，将进一步加快碳基集成电路技术的发展和相关应用的产业化步伐。
2022年7月张志勇-彭练矛联合课题组首次提出了孪生物理不可克隆功能（PUFs）的概念，在化学气相沉积法生长的碳管阵列上成功制备了孪生PUFs，并演示了其在加密通讯上的应用。碳管阵列在垂直于生长方向具有手性、位置随机性，而在平行方向具有一致性。在这种碳管阵列上制备的场效应晶体管具有三种不同的电学性质，即开路（0，无碳管）、半导体（S， 纯半导体碳管S）和金属（M，至少一根金属碳管)。由于碳管的位置和手性是由随机成核和随机催化剂分布决定，所以晶体管将随机地显示O、S和M类型，其顺序既不可预测，也不可克隆。碳管在生长方向可以保持数百微米长度的性质不变，故在同一个碳管阵列上平行制造的两排晶体管阵列会显示出具有相同顺序的 O、S 和 M 类型，因此可以实现同时制备两个相同的孪生PUFs。对于一般的非孪生PUFs，在加密通讯前，需要把密钥存储在非易失性存储器，再分享给参与通讯的其他人，故降低了安全性，而孪生PUFs无需提前提取密钥，从而大大提高了安全性。
2022年十一月北京大学电子学院、碳基电子学研究中心、纳米器件物理与化学教育部重点实验室张志勇教授课题组对基于阵列碳管的N型晶体管深入进行研究，发现器件性能和成功率不高的根本原因在于以低功函数作为接触的N型晶体管在金属-碳管界面处的氧化，团队开发出衬底疏水性处理和降低阵列碳管的密度两种方法，有效解决了金属-碳管界面处的氧化问题，制备出高性能N型晶体管。在此基础上，团队开发了基于阵列碳管的高性能CMOS器件与电路工艺。500nm栅长的CMOS晶体管展示出几乎对称的性能，开态电流可达400 μA/μm。基于阵列碳管的CMOS器件电子与空穴的迁移率分别为325和241cm2V-1s-1，高于同尺寸硅基和二维过渡金属硫化物（TMDs）制备的CMOS器件，充分展示了碳纳米管电子器件在高性能CMOS电子领域的应用潜力。
2023年4月北京大学张志勇课题组在碳纳米管单片三维集成电路领域取得重要进展，硅基单片三维集成领域的研究中，受制于晶体管热容限问题，上层单晶硅沟道与有源晶体管制备温度被迫降低，导致上层性能相较于硅基先进技术节点存在较大差距，仍然存在一定的瓶颈。高密度，高半导体纯度的平行阵列碳纳米管材料，拥有低温的材料制备与晶体管加工工艺，具备较高的热容限水平，有利于单片三维集成加工。并且，单片三维集成架构减少了碳管电路的互联长度，有利于电路速度的提升。因此，碳纳米管晶体管非常适合构建高速单片三维集成电路。
2023年7月北京大学团队报告了CGP为175 nm的排列CNT场效应晶体管的全尺寸缩放。这些器件被用于制造面积小于1 μm2的6T SRAM单元，其性能和集成密度均优于采用90 nm硅技术节点制造的SRAM单元。作者还开发了一种全接触结构，可将接触电阻降至约90 Ω μm。与侧面和端面接触结构相比，这种接触结构的电阻对接触长度的依赖性更弱。这使得排列有序的碳纳米管场效应晶体管能够进一步缩小到55纳米以下的CGP（对应于10纳米技术节点），同时由于其高载流子迁移率和费米速度，其性能优于10纳米节点的硅PMOS晶体管。这些结果表明了排列有序的碳纳米管场效应晶体管在10纳米以下节点的高性能数字集成电路中的潜力，并为进一步整体缩小栅极长度和接触长度之间的权衡提供了灵活性。
2024年7月，北京大学团队，在下一代芯片技术领域取得突破，成功研发出世界首个基于碳纳米管的张量处理器芯片（TPU）。该芯片由3000个碳纳米管场效应晶体管组成，能够高效执行卷积运算和矩阵乘法。实验表明，基于该TPU的五层卷积神经网络可以在功耗仅为295μW的情况下，实现高达88%的MNIST图像识别准确率。（2024年10月21日晚电视报导）
(三）碳纳米管芯片产业化
北大系团队产业孵化了北京华碳科技有限责任公司
北京华碳科技有限责任公司和北京市科学技术委员会100%持股的北京首都科技发展集团有限公司又成立了北京郎润华碳科技有限责任公司
北京郎润华碳科技有限责任公司又投资了北京华碳元芯电子科技有限责任公司，该公司拥有103项专利，均为碳基芯片及其相关专利。
北京华碳元芯电子科技有限责任公司又投资了以北京元芯碳基集成电路研究院工程师韩杰为大股东成立的碳基芯片创业公司——苏州烯晶半导体科技有限公司，这个公司在9月份刚迎来华为哈勃的投资，19个专利均为碳纳米管芯片相关专利。
同时彭练矛还管理着北京元芯碳基集成电路研究院，北京碳基集成电路研究院于2018年9月正式登记成立，它的发起单位有北京大学、中科院微电子所等多家单位，彭练矛院士担任院长。该研究院与华为也合作发布碳纳米管晶体管相关专利。
北大孵化的创业公司苏州烯晶之所以在苏州，也是因为中科院苏州纳米所与天奈科技合作在高纯度半导体性碳纳米管材料研发上优势明显，彭练矛教授同时也是中科院院士。苏州纳米所与全球最大的碳纳米管企业江苏天奈科技股份有限公司共同出资成立先进碳基电子材料联合实验室，紧扣碳基芯片国家战略需求，对标单壁碳管国际先进水平，推动产学研、产业链上中下游、天奈科技与苏州纳米所联合联动创新，合力突破高品质单壁管材料的国内空白，提高市场占有率，推动先进碳基电子材料规模化制备与产业化应用国际引领。联合实验室经费充足，设备先进，共享天奈科技与苏州纳米所资源，依托目前世界上规模最大、功能最全的真空互联研发平台，集材料生长、器件加工、测试分析为一体。
同时上文所述赵建文研究团队是中国科学院苏州纳米所的核心研究团队之一，自2009年起一直专注于碳纳米管材料、晶体管器件、集成电路和新兴领域应用探索的研究。近5年，团队聚焦于碳纳米管CMOS电子器件和碳硅以及碳/Micro-LED异质融合3D单片集成电路和显示芯片及其在抗辐照芯片、仿生视觉芯片和新型显示等领域的应用研究。先后承担中国科学院战略性纳米先导专项、国家重点研发计划和国家自然基金等国家级项目20余项，在Nat. Electron.、Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、ACS Nano、Adv. Sci.、Nano Lett.等国际期刊发表研究论文100余篇，出版碳基电子著作1本，获授权专利20余项。
天奈科技2024年中报碳基芯片相关在研如下，超长定向碳纳米管阵列的制备，单壁碳纳米管批量生产工艺与设备开发，碳基芯片-碳纳米管手性结构的高分辨宏量分离制备研究，碳基芯片-高纯度半导体型单壁碳纳米管的可控生长和批量制备。
单壁碳纳米管是半导体性碳管的基础，天奈科技刚刚在今年9月初获批了单壁碳纳米管的定增，是今年再融资收紧后，为数几个获得再融资的公司，单壁碳纳米管这一新材料被证监会充分认可科创潜力。目前天奈科技应该已经有能力做出99.9999%高纯度的单根半导体级碳纳米管。
同时天奈科技最早的纳米聚团流化床宏量制备碳纳米管的产业化技术就来源于清华大学魏飞团队，魏飞团队等于是天奈创始人之一，在员工持股平台也持有天奈科技的股份。后续天奈科技董事长郑涛带领天奈研发团队彻底解决了碳纳米管连续化宏量制备生产的世界性难题，可见中国三个顶尖碳基芯片团队和全球最大的碳纳米管材料公司天奈科技关联之深，未来也将通力合作，助力中国芯片行业弯道超车。
（四）碳基芯片助力国产芯片弯道超车
为何电视说碳基芯片能够帮助国产弯道超车呢？
根据上图北大张志勇团队的说法：由于碳纳米管的材料特性，采用90nm工艺的碳基芯片可以制备出性能和集成度超越28nm技术节点的硅基芯片，而采用22nm工艺的碳基芯片则可以实现相当于5-7nm技术节点的硅基芯片，并展现出进一步缩减至10 nm节点的潜力。研 究结果表明，相同节点下，A-CNTCMOS器件相比于硅基CMOS器件展现出4-6倍的能量延时积(EDP)优势，凸显了其在未来高性能数字集成电路中的应用潜力。换句话来讲，采用28nm的光刻机，在碳基芯片身上就能获得使用全球最先进EUV光刻机的效果，降低了对光刻机制程工艺的要求。
同时碳纳米管芯片彭练矛院士接受采访时说：整个硅基芯片的研发上，我们落后很多，硅基芯片在美国已经发展了60多年的时间，我们国家在其中没有重要贡献，材料、设备、计算机软件、制造工艺等被人‘卡脖子’，受制于人。”在彭练矛看来，目前想在硅基的路上“弯道超车”不太现实，“我们需要换道开车，换到碳基的道路上。这对全球来说都是一条新的道路，目前我们还处于相对领先的位置。”“我们要发展自己的集成电路技术，拥有自主技术才不会被西方卡住。”彭练矛称，我国应抓住历史机遇，在现有优势下扬长避短，从材料开始，全面突破现有的主流半导体技术，研制出我们自己完全自主可控的芯片技术，通过发展碳基芯片，实现国产芯的“换道超车”。
当然碳基芯片还面临着很多困难和挑战，一是碳纳米管精细结构合成的纯度还未达到实际应用要求；二是碳纳米管宏观聚集体的性能低于单根碳纳米管的优异性能；三是高质量碳纳米管的产量远不能满足实际工业应用的要求。总结：高质量碳纳米管的精细结构控制和宏量可控制备，是目前碳纳米管芯片领域面临的巨大挑战。希望全球最大的综合实力最强的碳纳米管材料生产商天奈科技和这些国内顶尖碳纳米管芯片研究机构企业以及华为能够通力合作，在政策的引导下助力我国碳基芯片尽快实现换道超车。
各位到27年天奈科技是有450吨单壁碳纳米管粉体产能的公司，现价25年估值也就30pe出头。这种材料如果真的好制造，每一家公司都能够大规模稳定品质量产，这个材料早就白菜价了，而不是1000w人民币一吨。未来单壁大规模应用的基础，同样也来自于降本和降价，但是无论怎么降，单壁粉体的毛利率也远超50%，而且这些产能还远不够固态电池用呢，哪来的产能过剩一说？碳基芯片助力国产芯片弯道超车是能看的见的未来，也是国家大力支持发展的方向，是必须要突破的，这不是我说的，是电视和院士说的，对于掌握单壁碳纳米管大规模稳定高质量生产及碳纳米管水平阵列生长并对半导体用高纯度碳纳米管材料研发投入很大的天奈科技来讲，是很大的机遇。
同时单壁的应用远远不及于此，如碳纳米管替代碳纤维，清华大学化工系张如范团队已经在做产业化了。
碳纳米管做euv掩模的防尘掩膜罩，传统EUV薄膜为硅基薄膜。对比而言，碳纳米管薄膜具有高EUV透射率(92%或以上)和曝光输出超过1kW的耐光性，可支持ASML将推出的下一代拥有超过600W光源功率的EUV光刻机。
碳纳米管做超级电容器
碳纳米管做钙钛矿光伏电池的电极
碳纳米管做机器人柔性电子皮肤
碳纳米管做超导材料
可能有点远，但是是会实现的