傳統的硅基半導體技術是信息社會的基礎，推動了人類社會的深刻變革。硅基集成電路的發展一直遵循摩爾定律，其集成度每隔18個月翻一番，從而使自身性能不斷提高。然而隨著器件尺寸的持續縮減和集成度的增加，近年來硅基器件逐漸逼近其物理極限，器件加工難度和加工成本的大幅提高，導致摩爾定律逐漸失效。隨著信息社會的發展，以人工智能、大數據快速處理以及傳輸為基礎的現代信息社會對數據的計算、存儲等能力的需求與日俱增。為了延續和拓展摩爾定律，業界開始不斷探索新材料和新器件。

　　各界爭相布局碳基半導體

　　碳納米管從概念上可以看作是石墨烯卷曲形成的一維管狀分子，具有極高的電子和空穴遷移率。相對于硅基半導體，碳納米管的電子遷移率提高了60倍，空穴遷移率提高了250倍。這些特點有利于制備速度更高、功耗更低的電子器件。另外，碳納米管的直徑只有1nm左右，本征電容很小，所以展現出了良好的柵控特性，有利于抑制短溝道效應，能夠制備小尺寸器件。根據理論計算和模擬仿真預測，相對于傳統的硅基晶體管，碳納米管晶體管具有10倍的綜合性能優勢，而基于碳納米管器件的三維集成系統更是具有1000倍的能效優勢，因此碳納米管被認為是延續摩爾定律的理想電子材料。此外，碳納米管強的碳-碳共價鍵、良好的熱激發特性、優異的柔韌和耐彎曲特性等使其在抗輻照器件、低溫器件以及柔性器件方面也具有巨大的應用前景。

　　碳納米管在構建高速、低功耗以及短溝道器件方面具有巨大優勢，在構建高性能集成電路技術方面具備可行性，是延續和拓展摩爾定律的理想半導體材料。

　　自2009年以來，電氣和電子工程師協會（IEEE）在國際器件與系統路線圖（IRDS）中多次將碳納米管推薦為延續摩爾定律的理想半導體材料。近年來，包括美國斯坦福大學、麻省理工學院等在內的各大國際著名研究機構，以及IBM和臺積電（TSMC）等知名企業研發團隊，都在碳基半導體領域投入了巨大精力，持續推動碳基半導體技術的發展。

　　2017年，IBM研究團隊利用末端接觸技術，結合原子層沉積技術制備氧化鋁柵介質，實現了接觸長度和溝道長度均為10nm，但整體尺寸相當于硅基5nm技術節點的單根碳納米管器件，它的整體性能優勢達到了硅基先進工藝節點的兩倍。隨后，該團隊進一步基于碳納米管陣列薄膜，構建了柵長為100nm的CMOS五級環振器，刷新了碳基數字電路工作的速度。2018年，IBM研究團隊基于網絡半導體碳納米管薄膜在柔性基板上構建的碳納米管CMOS電路，展現了碳基柔性電路優異的性能。

　　除IBM之外，臺積電在2018年的國際電子元件會議（IEDM）上提出了將碳納米管半導體技術寫入其未來發展路線圖；2018年，美國威斯康星大學麥迪遜分校研究團隊基于高密度半導體碳納米管陣列薄膜，構建的晶體管開態電流密度超過了具有相同柵長的硅和GaAS晶體管器件；2017年，斯坦福大學研究團隊將上百萬個碳納米管晶體管和RAM存儲器集成在硅電路的上方，構建了感存算一體的三維集成電路，初步證明了碳基異質三維集成電路的技術可行性。隨后，該團隊進一步構建了完全由碳納米管CMOS器件和RRAM器件構成的碳基單片三維集成系統，該系統不僅可以準確運行分類識別算法，而且相比同尺寸的硅基電路，具備更高的系統能效和更小的電路面積。2019年，美國麻省理工學院（MIT）團隊基于碳納米管薄膜，構建了碳納米管16位RV16X-NANO微處理器。該處理器可以執行指令獲取、解碼、計算以及數據存儲等操作，在理論上可以對標英特爾公司于1985年推出的硅基80386處理器芯片。2020年，該團隊與芯片代工企業SkyWater合作，利用商業硅基芯片生產線對8英寸晶圓碳納米管薄膜器件進行流片，實現了良率可控、性能均一性較好的碳納米管晶體管陣列的制備。

　　產業化之路未來可期

　　總體來說，對于碳基半導體技術的產業化，無論是材料制備還是原型器件的構建，已經沒有不可逾越的技術障礙，因此長期來看，碳基半導體技術具有巨大的商業化應用前景。但是每一種技術的成熟都需要經歷一個長期積累的過程。以傳統的硅基半導體技術為例，從硅半導體材料的制備再到硅基集成電路的應用，其實已經經歷了百余年的時間。

　　從材料的角度來看，業界面臨的基礎性問題之一是碳納米管結構的精確可控問題?，F階段，業界對于碳納米管的結構控制主要有兩種途徑：一種是通過生長直接控制碳納米管結構；另一種是先合成包含不同結構的混合物，再通過分離純化制備所需結構的碳納米管。

　　通過生長直接實現對碳納米管結構的控制，是最為理想的方法之一，可以實現簡單且低成本的制備。需要看到的是，盡管通過生長調控技術已經實現了高純半導體碳納米管，甚至是單一手性碳納米管的可控制備，但是由于可控生長制備窗口較窄、生長效率低，目前仍然無法滿足大面積碳基集成電路應用的需求。

　　相對直接生長法，分離純化對碳納米管的結構具有較易控制的特點。近年來，溶液法分離碳納米管結構的研究取得了突破性進展。其中，美國杜邦公司、美國西北大學研究團隊、美國萊斯大學、美國標準國家實驗室（NIST）研究團隊、德國卡爾斯魯厄理工學院、日本產業技術綜合研究所研究團隊均通過液相分離技術，實現了多種單一手性碳納米管的分離制備。目前，業界已經能夠實現30余種單一手性半導體碳納米管的制備，但是單一手性碳納米管的規?；苽淙匀幻媾R巨大的挑戰。

　　接下來，業界還需要對碳基器件結構和集成電路工藝進一步優化，發展和建立材料制備、器件加工以及表征的標準化過程，減小大面積集成電路中器件性能的波動性。相信經過長期的技術優化與迭代，高性能碳基集成電路的大規模商業化有望在不遠的將來得以實現。

（責任編輯：殷俊紅）