眾所周知，全球的集成電路產(chǎn)業(yè)一直在摩爾定律的“照耀”下沿著硅基的路線前行，但當(dāng)主流的CMOS技術(shù)發(fā)展到10納米技術(shù)節(jié)點(diǎn)之后，后續(xù)發(fā)展越來越受到來自物理規(guī)律和制造成本的限制，摩爾定律有可能面臨終結(jié)。

　　1月20日，頂級(jí)科學(xué)雜志《Nature》刊登了北京大學(xué)教授彭練矛和物理電子學(xué)研究所副所長(zhǎng)張志勇課題組在碳納米管電子學(xué)領(lǐng)域取得的世界級(jí)突破：首次制備出5納米柵長(zhǎng)高性能碳納米管晶體管，并證明其性能超越同等尺寸硅基CMOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管，將晶體管性能推至理論極致。

　　石墨烯VS碳納米爭(zhēng)作硅材料的接班人？

　　1月20日，頂級(jí)科學(xué)雜志《Nature》刊登了北京大學(xué)教授彭練矛和物理電子學(xué)研究所副所長(zhǎng)張志勇課題組在碳納米管電子學(xué)領(lǐng)域取得的世界級(jí)突破：首次制備出5納米柵長(zhǎng)高性能碳納米管晶體管，并證明其性能超越同等尺寸硅基CMOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管，將晶體管性能推至理論極致。

　　2月27日，央視新聞?lì)l道播出了專題節(jié)目《神奇的石墨烯》，節(jié)目中提到，石墨烯有望替代硅，成為下一代芯片的主要材料。利用石墨烯制造新一代器件，也有望讓我國(guó)的芯片制造業(yè)實(shí)現(xiàn)彎道超車，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

　　眾所周知，全球的集成電路產(chǎn)業(yè)一直在摩爾定律的“照耀”下沿著硅基的路線前行，但當(dāng)主流的CMOS技術(shù)發(fā)展到10納米技術(shù)節(jié)點(diǎn)之后，后續(xù)發(fā)展越來越受到來自物理規(guī)律和制造成本的限制，摩爾定律有可能面臨終結(jié)。20多年來，科學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界一直在探索各種新材料和新原理的晶體管技術(shù)，期望替代硅基CMOS技術(shù)，但到目前為止，并沒有機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)10納米的新型器件，并且也沒有新型器件能夠在性能上真正超過最好的硅基CMOS器件。

　　碳基超越硅基？

　　2005年，國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)線路圖(ITRS)委員會(huì)首次明確指出在2020年前后硅基CMOS技術(shù)將達(dá)到其性能極限。后摩爾時(shí)代的集成電路技術(shù)的研究變得日趨急迫，很多人認(rèn)為微電子工業(yè)在走到7納米技術(shù)節(jié)點(diǎn)之后可能不得不面臨放棄繼續(xù)使用硅材料作為晶體管導(dǎo)電溝道。在為數(shù)不多的可能替代材料中，碳基納米材料被公認(rèn)為最有可能替代硅材料。

　　2008年ITRS新興研究材料和新興研究器件工作組在考察了所有可能的硅基CMOS替代技術(shù)之后，明確向半導(dǎo)體行業(yè)推薦重點(diǎn)研究碳基電子學(xué)，作為未來5~10年顯現(xiàn)商業(yè)價(jià)值的下一代電子技術(shù)。美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金委員會(huì)(NSF)十余年來除了在美國(guó)國(guó)家納米技術(shù)計(jì)劃中繼續(xù)對(duì)碳納米材料和相關(guān)器件給予重點(diǎn)支持外，在2008年還專門啟動(dòng)了“超過摩爾定律的科學(xué)與工程項(xiàng)目”，其中碳基電子學(xué)研究被列為重中之重。其后美國(guó)不斷加大對(duì)碳基電子學(xué)研究的投入，美國(guó)國(guó)家納米計(jì)劃從2010年開始將“2020年后的納米電子學(xué)”設(shè)置為3個(gè)重中之重的成名計(jì)劃(signatureinitiatives)之一。除美國(guó)外，歐盟和其他各國(guó)政府也高度重視碳納米材料和相關(guān)電子學(xué)的研究和開發(fā)應(yīng)用，布局和繼續(xù)搶占信息技術(shù)核心領(lǐng)域的制高點(diǎn)。

　　碳納米管材料中，最有可能替代硅的有兩個(gè)，碳納米管和石墨烯。在石墨烯獲得諾貝爾獎(jiǎng)之前，碳納米管一直被認(rèn)為是最有可能代替硅的半導(dǎo)體材料，而如今，由于石墨烯在全球范圍內(nèi)的狂熱，似乎有代替碳納米管之勢(shì)，那么，石墨烯和碳納米管，究竟誰能堪當(dāng)大任呢？

　　碳納米管集成電路的研發(fā)優(yōu)勢(shì)與發(fā)展現(xiàn)狀

　　1991年，日本NEC公司的飯島澄男在高分辨透射電子顯微鏡下檢驗(yàn)石墨電弧設(shè)備中產(chǎn)生的球狀碳分子時(shí)，意外發(fā)現(xiàn)了由碳分子組成的管狀同軸納米管，也就是現(xiàn)在被稱作的碳納米管CNT，又名巴基管。

　　碳管材料具有極為優(yōu)秀的電學(xué)特性。室溫下碳管的n型和p型載流子(電子和空穴)遷移率對(duì)稱，均可以達(dá)到10000cm2/(V？s)以上，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料。另外碳管的直徑僅有1～3nm，更容易被柵極電壓非常有效開啟和關(guān)斷。

　　碳納米管相對(duì)于硅材料的優(yōu)點(diǎn)：

　　1)載流子輸運(yùn)是一維的。這意味著減少了對(duì)載流子散射的相空間，開辟了彈道輸運(yùn)的可能性。相應(yīng)地，功耗低。

　　2)所有碳原子的化學(xué)鍵都是鏈接的，由此，沒有必要進(jìn)行化學(xué)鈍化工藝以消除類似存在于硅表面的懸掛鍵。這意味著碳納米管電子不一定非得使用二氧化硅絕緣體，高介電常數(shù)和晶體絕緣體都可以直接使用。

　　3)強(qiáng)共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)能使碳納米管具有較高的機(jī)械穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，且對(duì)電遷移有很好的抵抗力，可以承受的電流密度高達(dá)１０Ａ/ｃｍ。

　　4)它們的關(guān)鍵尺寸，即直徑，是由化學(xué)反應(yīng)控制，而不是傳統(tǒng)的制造工藝。

　　5)原則上，無論是有源器件(晶體管)還是互連聯(lián)結(jié)線，都可以分別由半導(dǎo)體屬性和金屬屬性的碳納米管制成。

　　石墨烯VS碳納米爭(zhēng)作硅材料的接班人？

　　斯坦福大學(xué)研究組采用如(a)所示的碳納米管陣列制備出了如(b)所示的世界上第一個(gè)碳納米管計(jì)算機(jī);(c)主要功能單元的掃描電子顯微鏡像

　　碳納米管半導(dǎo)體器件的研究進(jìn)展：

　　石墨烯VS碳納米爭(zhēng)作硅材料的接班人？

　　近年來，基于碳納米管的碳基電子學(xué)研究取得了飛速發(fā)展，并逐漸從基礎(chǔ)研究轉(zhuǎn)向?qū)嶋H應(yīng)用。得益于材料自身的優(yōu)良性質(zhì)和世界范圍的政策和資金支持，研發(fā)人員在碳納米管的器件物理、器件制備、集成方法等方面都取得了相當(dāng)?shù)某删?，達(dá)到了其他納米材料從未達(dá)到過的高度。

　　研究進(jìn)展表明碳基電子學(xué)器件相比傳統(tǒng)硅基器件具有5～10倍的速度和能耗優(yōu)勢(shì)，可以實(shí)現(xiàn)5nm以下的半導(dǎo)體技術(shù)節(jié)點(diǎn)，滿足2020年之后新型半導(dǎo)體芯片的發(fā)展需求。研發(fā)人員已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了具有各種功能的基礎(chǔ)邏輯單元，原則上就可以利用這些邏輯單元制備出具有極高復(fù)雜程度的碳基集成電路。

　　《自然》雜志于2013年發(fā)表了美國(guó)斯坦福大學(xué)的研究人員采用178個(gè)碳納米管晶體管制造出的的計(jì)算機(jī)原型?！禡IT技術(shù)評(píng)論》于2014年報(bào)道了美國(guó)IBM公司表示將在2020年之前利用碳納米管制備出比現(xiàn)有芯片快5倍的半導(dǎo)體芯片。美國(guó)IBM公司于相關(guān)媒體發(fā)表的結(jié)果表明，基于碳納米管的半導(dǎo)體芯片在性能和能耗方面都比傳統(tǒng)硅基芯片有顯著改善：硅基半導(dǎo)體技術(shù)從7nm縮減到5nm節(jié)點(diǎn)，相應(yīng)的芯片性能大約有20%的增加，而7納米技術(shù)節(jié)點(diǎn)下的碳基半導(dǎo)體技術(shù)比硅基7nm的性能提高300%，相當(dāng)15代硅基技術(shù)的改善。這些進(jìn)展使半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)界看到了碳基電子學(xué)時(shí)代的曙光，有望將性能持續(xù)提高的摩爾定律延續(xù)到2050年。

　　但是，碳納米管也有限制，人工制造的碳納米管是金屬特性和半導(dǎo)體特性的混合體．這2種屬性的碳納米管相互“粘連”成繩索狀或束狀，使得碳納米管的用途大打折扣，因?yàn)橹挥邪雽?dǎo)體特性的納米管才有晶體管性能。現(xiàn)有的制備方法生產(chǎn)出的碳納米管均為各種手性和不同管徑的混合，手性和管徑的不同，直接導(dǎo)致導(dǎo)電性質(zhì)的不同，這使得碳納米管在大部分實(shí)際應(yīng)用存在許多困難。

　　彭練矛教授在接受采訪時(shí)透露，目前IBM在碳納米管研究方向上采用的是摻雜制備方法，而彭練矛與張志勇課題組采用的是無摻雜制備方法，這是全球首創(chuàng)的，他們課題組經(jīng)過10多年的研究，開發(fā)出無摻雜制備方法，研制的10納米碳納米管頂柵CMOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其p型和n型器件在更低工作電壓(0.4V)下，性能均超過了目前最好的、在更高工作電壓(0.7V)下工作的硅基CMOS晶體管。現(xiàn)在，他們又克服了尺寸縮小的工藝限制，成功開發(fā)出5納米柵長(zhǎng)碳納米晶體管，其性能接近了由量子力學(xué)原理決定的理論極限。

　　石墨烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管的研究現(xiàn)狀和進(jìn)展

　　石墨烯是一種二維碳結(jié)構(gòu)材料，因?yàn)槠渚哂辛憬麕匦裕词乖谑覝叵螺d流子在石墨烯中的平均自由程和相干長(zhǎng)度也可為微米級(jí)，所以是一種性能優(yōu)異的導(dǎo)電材料。石墨烯場(chǎng)效應(yīng)器件最重要的挑戰(zhàn)之一是如何增加帶隙，而又不降低它非常高的遷移率。

　　石墨烯晶體管與傳統(tǒng)的硅半導(dǎo)體晶體管相比，有以下特點(diǎn)：

　　(1)在電場(chǎng)的調(diào)控下，石墨烯中的載流子類型能夠在電子和空穴間連續(xù)變化，具有雙極型導(dǎo)電性。因此GFET無法像傳統(tǒng)半導(dǎo)體晶體管那樣被有效地關(guān)閉,不適于作邏鎮(zhèn)器件。但采取一些新型的結(jié)構(gòu)也能得到基于石墨締的高開關(guān)電流此的器件；

　　(2)石墨烯的載流子遷移率很高，而且可W被電場(chǎng)調(diào)控，在高頻領(lǐng)域，尤其在射頻(RF)領(lǐng)域中有很大的應(yīng)用潛力。

　　(3)石墨稀本身為二維材料，有利于縮小電路尺寸和電路的集成。CVD制備的石墨烯可被轉(zhuǎn)移到任意襯底上，有利于制備石墨烯與其他材料的異質(zhì)結(jié)，研究新的物理現(xiàn)象和新的電子器件。

　　石墨烯優(yōu)于碳納米管的是，在制造碳納米管的工藝中，會(huì)生成金屬和半導(dǎo)體材料的碳納米管混合物，在制作復(fù)雜電路時(shí)，碳納米管必須經(jīng)過仔細(xì)篩選和定位，目前還沒有開發(fā)出非常好的方法，而這對(duì)石墨烯而言則要容易得多。這種獨(dú)特的電性能使石墨烯作為一種替代材料在許多新的領(lǐng)域得到應(yīng)用。

　　高電子/空穴遷移率和對(duì)稱的能帶結(jié)構(gòu)使得石墨烯非常適合制作高頻晶體管，雖然石墨烯導(dǎo)電能力極佳，但它缺乏能隙，即石墨烯中沒有“電子態(tài)無法存在的禁帶”的能量范圍，限制了它作為開關(guān)器件方面的應(yīng)用，而石墨烯納米帶(GNR)可以打開石墨烯的能隙，因此，類半導(dǎo)體的ＧＮＲ引起了人們的極大關(guān)注，激發(fā)科學(xué)家研制全石墨烯電路的廣泛興趣。

　　據(jù)報(bào)導(dǎo)，曼切斯特大學(xué)AndreGeim小組，除了已開發(fā)出了10nm級(jí)可實(shí)際運(yùn)行的石墨烯晶體管外，他們尚未公布的最新研究成果還有，已研制出長(zhǎng)寬均為1個(gè)分子的更小的石墨烯晶體管，該石墨烯晶體管實(shí)際上是由單原子組成的晶體管。

　　2008年IBM公司的Watson研究中心在世界上率先制成低噪聲石墨烯晶體管。普通的納米器件隨著尺寸的減小，被稱做1/f的噪音會(huì)越來越明顯，使器件信噪比惡化，這種現(xiàn)象就是“豪格規(guī)則(Hooge'sLaw)”。石墨烯、碳納米

　　管以及硅材料都會(huì)產(chǎn)生該現(xiàn)象，因此，如何減小1/f噪聲成為實(shí)現(xiàn)納米元件的關(guān)鍵問題之一。IBM通過重疊2層石墨烯，試制成功了晶體管。由于2層石墨烯之間生成了強(qiáng)電子結(jié)合，從而控制了1/f噪音。IBM公司的Ming-YuLin的該發(fā)現(xiàn)證明，2層石墨烯有望應(yīng)用于各種各樣的領(lǐng)域。

　　2008年5月美國(guó)喬治亞科技學(xué)院德希爾與麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室合作在單一芯片上生成的幾百個(gè)石墨烯晶體管陣列。

　　硅基的微計(jì)算機(jī)處理器在室溫條件下每秒鐘只能執(zhí)行一定數(shù)量的操作，然而電子穿過石墨烯幾乎沒有任何阻力，所產(chǎn)生的熱量也非常少。此外，石墨烯本身就是一個(gè)良好的導(dǎo)熱體，可以很快地散發(fā)熱量。由于具有優(yōu)異的性能，由石墨烯制造的電子產(chǎn)品運(yùn)行的速度要快得多。

　　石墨烯器件制成的計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度可達(dá)到太赫茲，即1×106kHz的1000倍，如果能進(jìn)一步開發(fā)，其意義不言而喻。

　　除了讓計(jì)算機(jī)運(yùn)行得更快，石墨烯器件還能用于需要高速工作的通信技術(shù)和成像技術(shù)。有關(guān)專家認(rèn)為，石墨烯很可能首先應(yīng)用于高頻領(lǐng)域，如太赫茲波成像，用途之一是用來探測(cè)隱藏的武器。速度還不是石墨烯的唯一優(yōu)點(diǎn)，硅不能分割成小于10nm的小片，否則其將失去誘人的電子性能。與硅相比，石墨烯分割成1nm小片時(shí)，其基本物理性能并不改變，而且其電子性能還有可能異常發(fā)揮。

　　結(jié)論：硅材料鹿死誰手還未可知

　　1)硅電子材料的發(fā)展已接近頂峰，碳納米管和石墨烯有比硅材料器件更小的尺寸和更優(yōu)良的電學(xué)性質(zhì)，很有可能在未來取代硅材料。

　　2)碳納米管性質(zhì)優(yōu)良而且發(fā)現(xiàn)較早，人們對(duì)其制取及構(gòu)建器件的方法的研究比較深入，并取得了一些成果，足以證明碳納米管有構(gòu)建實(shí)用微電子器件的條件，但傳統(tǒng)的構(gòu)建器件的方法存在一些問題，而且對(duì)不同碳納米管的分離是最大的挑戰(zhàn)，實(shí)現(xiàn)碳納米管集成電路仍需一定時(shí)間的探索。

　　3)石墨烯與碳納米管一樣具有優(yōu)良的性質(zhì)，而且構(gòu)建器件時(shí)不必經(jīng)歷復(fù)雜的分離過程，比碳納米管實(shí)用性更強(qiáng)，在制備上也取得了一定的突破，但其發(fā)現(xiàn)較晚，在器件制備上還有待探索。在未來，二者可能共同成為構(gòu)成集成電路的主導(dǎo)材料。