技经观察 | 碳基半导体：中国芯片产业发展新机遇技术篇碳基半导体作为有可能继承硅

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碳基半导体作为有可能继承硅基半导体，成为未来电子信息产业重要基础的新型半导体材料，其发展潜力值得科研和半导体从业人员对其进行深入挖掘。本文节选自《碳基半导体：中国芯片产业发展新机遇》报告，是碳基半导体系列的技术篇，对碳基半导体技术的研究进展进行了梳理并指出了其当前面临的的难题。一、碳基半导体技术进展
业界对碳基半导体关注由来已久， 2010年前后美欧对碳基投入了更多的研发力量和资金支持。 2009年，国际半导体技术发展路线图委员会将碳基纳米材料列入延续摩尔定律的未来集成电路技术选项。美国国家科学基金会2008年专门启动了“超越摩尔定律的科学与工程”项目，用以资助硅技术可能替代者的研究，其中碳基纳米电子学研究被视为重中之重。此外，已执行了十余年的美国国家纳米技术计划，除了通过常规途径继续对碳纳米材料和器件给予重点支持，还于2011年设立了“2020年后的纳米电子学”研究专项，每年专项资金高达上亿美元。欧盟同样对碳基纳电子技术进行了重点支持，其于2013年启动“石墨烯旗舰计划” ，用以资助石墨烯及相关二维材料的研究，期望以此推动信息领域、通信领域的技术革命。各国对碳基技术的支持推动了相关技术研发进展，碳纳米管和石墨烯研究均取得诸多成果。
1. 碳纳米管
碳纳米管是未来最有希望取代硅基材料的理想碳基半导体材料。 IBM研究表明， 10nm技术节点后碳纳米管芯片在性能和功耗方面都将比硅芯片有明显改善。从硅基7nm到5nm技术，芯片速度大约提升20% ，而相比硅基7nm技术，碳纳米管基7nm技术的芯片速度将提升300% 。北京大学彭练矛团队研究结果表明，在14nm技术节点碳纳米管晶体管的速度和功耗均较硅基器件有10倍以上的优势，进入10nm技术节点后这种优势还将继续加大。此外，半导体型碳纳米管材料属于直接带隙半导体，所有能带间的跃迁不需声子辅助，是很好的红外发光材料。理论分析表明，基于碳纳米结构的电子器件可以有非常好的高频响应，其工作频率有望超过太赫兹，性能优于所有已知的半导体材料。
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来源：彭练矛《碳基纳电子材料与器件》
图1-1 IBM关于未来硅基和碳纳米管基场效应晶体管的性能比较
自1998年第一个碳纳米管晶体管问世后，研究人员就开始探索碳纳米管半导体器件应用的可能性。最初，国外研究团队IBM、英特尔采用半导体主流CMOS技术——掺杂工艺制备高性能碳纳米晶体管，然而制备出的碳纳米管晶体管性能远低于硅基晶体管。 2005年，英特尔对所有纳米晶体管进行了定量比较，研究结果表明，虽然碳纳米管基器件p型晶体管的性能远优于相应的硅基器件，但其n型晶体管的性能则远逊于相同尺寸的硅基器件。集成电路的发展要求性能匹配的p型和n型晶体管。 n型碳纳米管晶体管性能的落后严重制约了碳纳米管电子学的发展，发展稳定高性能的n型碳纳米管器件成了2005年之后碳纳米管集成电路研究领域最重要的课题之一。我国研究人员通过多年努力，在该领域实现了突破。 2007年，北京大学彭练矛团队在高性能碳纳米管场效应晶体管制备方面，发现利用金属钪（Sc）和钇（Y）可以与碳纳米管的导带形成理想欧姆接触，制备出高性能弹道n型碳纳米管场效应晶体管，器件性能接近理论极限。
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来源：半导体行业观察
图1-2 5nm栅长碳纳米晶体管
2008年，彭练矛团队突破了n型碳纳米管制备这一跨世纪难题，创造性地研发出一整套高性能碳纳米管晶体管的无掺杂制备方法，并在2017年首次制备出栅长5nm的晶体管，同时证明了碳纳米晶体管可以在达到理论极限时克服短沟道效应，也就是可以用一个简单的平面工艺一直走到物理极限，无需像硅技术那样发展更复杂的三维晶体管技术以降低短沟道效应。 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；同年，团队用高性能的晶体管制备出集成电路，最高速度达到5×103MHz ，不仅跻身与斯坦福大学、麻省理工学院等研究机构同步的国际领跑行列，而且在最关键的核心技术上是世界领先的。 2020年，彭练矛、张志勇团队突破了半导体碳纳米管关键的材料瓶颈，且制备出的器件和电路在真实电子学表现上首次超过了硅基产品，这意味着碳基集成电路已经初步具备工业化基础。

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