碳基半导体有望延续摩尔定律

传统的硅基半导体技术是信息社会的基础，推动了人类社会的深刻变革硅基集成电路的发展一直遵循摩尔定律，其集成度每18个月翻一番，使其性能不断提升可是，伴随着器件尺寸的不断缩小和集成度的提高，最近几年来硅基器件逐渐逼近其物理极限，器件的加工难度和成本大大增加，导致摩尔定律失效伴随着信息社会的发展，基于人工智能，快速处理和传输大数据的现代信息社会对数据计算和存储能力的需求越来越大为了延续和扩展摩尔定律，工业界开始探索新的材料和器件

竞相布局碳基半导体

从概念上讲，碳纳米管可以看作是石墨烯卷曲形成的一维管状分子，具有极高的电子和空穴迁移率与硅基半导体相比，碳纳米管的电子迁移率提高了60倍，空穴迁移率提高了250倍这些特性有利于制备速度更高，功耗更低的电子器件另外，碳纳米管的直径只有1nm左右，本征电容很小，因此表现出良好的栅控特性，有利于抑制短沟道效应，制作小尺寸器件根据理论计算和模拟预测，与传统硅基晶体管相比，碳纳米管晶体管具有10倍的综合性能优势，基于碳纳米管器件的三维集成系统具有1000倍的能效优势因此，碳纳米管被认为是延续摩尔定律的理想电子材料此外，碳纳米管的强碳碳共价键，良好的热激发特性，优异的柔韧性和抗弯曲性，使其在抗辐射器件，低温器件和柔性器件方面具有巨大的应用前景

碳纳米管在构建高速，低功耗，短沟道器件方面具有巨大优势，在构建高性能集成电路方面具有可行性它们是延续和扩展摩尔定律的理想半导体材料

自2009年以来，电气和电子工程师协会在国际器件和系统路线图中多次推荐碳纳米管作为理想的半导体材料，以延续摩尔定律最近几年来，包括斯坦福大学，麻省理工学院在内的国际主要著名研究机构，以及IBM，TSMC等知名企业的R&D团队，都在碳基半导体领域投入了巨大的精力，持续推动碳基半导体技术的发展

2017年，IBM研究团队利用终端接触技术结合原子层沉积技术制备氧化铝栅介质，实现了接触长度和沟道长度为10nm的单个碳纳米管器件，但整体尺寸相当于硅基5nm技术节点其整体性能优势达到了硅基先进技术节点的两倍随后，团队基于碳纳米管阵列薄膜进一步构建了栅长为100nm的CMOS五级环形振荡器，刷新了碳基数字电路的工作速度2018年，IBM研究团队在基于网络半导体碳纳米管薄膜的柔性衬底上构建了碳纳米管CMOS电路，展现了碳基柔性电路的优异性能

除了IBM，TSMC在2018年国际电子元器件大会上提出将碳纳米管半导体技术写入其未来发展路线图，2018年，美国威斯康星大学麦迪逊分校研究团队基于高密度半导体碳纳米管阵列薄膜，构建了通态电流密度超过相同栅长的硅和砷化镓晶体管器件的晶体管，2017年，斯坦福大学的研究团队在硅电路之上集成了数百万个碳纳米管晶体管和RAM存储器，构建了集传感，存储和计算于一体的三维集成电路，初步证明了碳基异质三维集成电路的技术可行性随后，团队进一步构建了完全由碳纳米管CMOS器件和RRAM器件组成的碳基单片三维集成系统该系统不仅能准确运行分类识别算法，而且与同等尺寸的硅基电路相比，具有更高的系统能效和更小的电路面积2019年，麻省理工学院团队基于碳纳米管薄膜构建了16位RV16X—NANO微处理器这个处理器可以进行指令采集，解码，计算，数据存储等操作理论上可以和Intel公司1985年推出的标准80386硅基处理器芯片相媲美2020年，团队与芯片代工公司SkyWater合作，利用商业化硅基芯片生产线，对8英寸晶圆碳纳米管薄膜器件进行卷带，实现了产量可控，性能均匀性好的碳纳米管晶体管阵列的制备

工业化的道路在未来大有可为。

总的来说，碳基半导体技术的产业化，无论是材料制备还是原型器件构建，都没有不可逾越的技术障碍因此，从长远来看，碳基半导体技术具有巨大的商业应用前景但是每一项技术的成熟都需要经历一个长期的积累过程以传统的硅基半导体技术为例，从硅半导体材料的制备到硅基集成电路的应用，实际上已经经历了一百多年

从材料的角度来看，工业界面临的一个基本问题是碳纳米管的精确可控结构目前，工业上控制碳纳米管结构的方法主要有两种:一种是通过生长直接控制碳纳米管的结构，另一种是先合成不同结构的混合物，然后通过分离纯化制备所需结构的碳纳米管

通过生长直接控制碳纳米管的结构是最理想的方法之一，可以实现简单，低成本的制备需要注意的是，虽然通过生长调控技术实现了高纯度半导体碳纳米管，甚至单一手性碳纳米管的可控制备，但由于可控生长的制备窗口窄，生长效率低，目前仍不能满足大面积碳基集成电路应用的需求

与直接生长法相比，碳纳米管的结构易于通过分离和纯化来控制最近几年来，溶液法分离碳纳米管结构的研究取得了突破性进展其中，杜邦公司，西北大学，莱斯大学，美国标准国家实验室，卡尔斯鲁厄理工学院，日本工业技术学院等都实现了利用液相分离技术分离制备各种单一手性碳纳米管目前，工业界已经能够制备30多种单一手性半导体碳纳米管，但是单一手性碳纳米管的大规模制备仍然面临着巨大的挑战

接下来，业界需要进一步优化碳基器件结构和集成电路技术，开发和建立材料制备，器件加工和表征的标准化工艺，降低大面积集成电路中器件性能的波动相信经过长期的技术优化和迭代，高性能碳基集成电路的大规模商用有望在不久的将来实现