技经观察 | 碳基半导体：中国芯片产业发展新机遇技术篇( 五 ) 碳基半导体作为有可能继承硅

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来源：Web of Science（检索时间：2020.08）
图2-18 石墨烯晶体管核心文献被引网络图
自2006年以来，石墨烯晶体管相关文献的被引次数逐年增长，在2017年达到巅峰（7543次，见图2-19），表明对石墨烯晶体管的研究热度总体上在逐年提高。
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来源：Web of Science（检索时间：2020.08）
图2-19 石墨烯晶体管核心文献被引频次图
3. 硅基与碳基半导体专利情况分析
在德温特创新索引数据库中通过检索式“‘MOSFET’or‘FinFET’”对1963-2020年的全球硅基半导体相关专利进行检索，共得到58910条同族专利记录。其中所涉及专利的学科类别主要为工程、仪器仪表、电化学、化学、材料科学、能源燃料、计算机科学、通信等。主要专利权人有：IBM（2712条）、台积电（2676条）、东芝公司（2409条）、日立公司（1815条）、NEC公司（1637条）、富士电子（1103条）、三菱公司（1051条）、格芯（982条）、电装集团（897条）。大多数专利集中于日本公司、美国公司和中国台湾台积电公司。硅基半导体涉及专利数量较多，表明硅基半导体发展较为成熟，商业化程度较高。
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来源：Derwent Innovation（检索时间：2020.08）
图2-20 全球硅基半导体主要专利权人
相比之下，碳基半导体的研究进展和商业化程度仍处于初级阶段，相关专利较少。通过关键词“CNFET”对1963-2020年的全球碳纳米管场效应晶体管相关专利进行检索，仅有35条同族专利，涉及学科类别为工程、仪器仪表、化学、电化学、材料科学等。主要专利权人为：宁波大学（21条）、美国麻省理工学院（4条）、马克斯·舒拉克（4条）等。其中，宁波大学的专利主要关于碳纳米管场效应晶体管存储器和电路设计。
通过关键词“Graphene+FET”对1963-2020年的全球石墨烯场效应晶体管相关专利进行检索，共得到104条同族专利，涉及学科类别为工程、仪器仪表、化学、电化学、材料科学等。主要专利权人为：IBM公司（15条）、诺基亚公司（9条）、中科院微电子研究所（5条）和德州仪器公司（4条）等。石墨烯晶体管专利更多涉及射频电子电路中的应用。
三、碳基半导体技术发展面临的难题
1. 碳纳米管技术难题
（1）制备问题
碳基半导体需要的是半导体型的碳纳米管，金属型碳纳米管相当于杂质，会造成短路干扰电路运行。但在碳纳米管制备过程中金属型与半导体型共生，剔除金属型碳纳米管，尽可能提高碳纳米管的半导体纯度是一大技术难题。碳纳米管集成电路批量化制备的前提就是超高半导体纯度、顺排、高密度、大面积均匀的碳纳米管阵列薄膜。 2013年，美国杜克大学在《自然》期刊上发表的一篇评述性文章提出，半导体纯度超过99.9999%（“6个9”）、密度达到100-200每微米，取向角＜9° ，才可实现大规模高性能集成电路。而且要将数量众多的碳纳米管塞进指甲盖大小的芯片就必须精确地控制好各个碳纳米管之间的距离，这就要求精度极高的阵列控制。长期以来，学术界发展了多种制备、提纯、排列碳纳米管的方法，但是始终无法接近这实用化区域。这使得碳纳米管晶体管和电路的实际性能远低于理论预期，甚至落后于相同技术节点的硅基技术至少一个量级。
直到2020年，北京大学彭练矛团队采用多次聚合物分散和提纯技术得到超高纯度碳纳米管溶液，提出结合维度限制自排列法在4寸晶圆上制备出了密度120/μm、半导体纯度高达99.99995%、直径分布1.45±0.23nm的碳纳米管阵列，才算攻克碳纳米管材料制备难题，理论上达到了超大规模碳纳米管集成电路的需求，但距离其大规模应用还存在诸多挑战。例如，要实现碳纳米管阵列薄膜的大规模均匀定向排布，需要将每微米间的碳纳米管数量控制在125-200个。要实现碳纳米管的大规模生产，碳纳米管晶圆的面积也要足够大，现阶段能制作8英寸晶圆，但未来需要更大尺寸才能满足需求，而且尺寸增大的同时必须保证碳纳米管排列取向单一，在技术实现上有很大挑战。
（2）材料与性能问题
除制备外，碳纳米管还面临两个方面问题的困扰。
一是可靠性较差。碳纳米管暴露于空气后会在几天内降解，且在高能电场下进行操作时，碳纳米管场效应晶体管会发生雪崩击穿现象，这些性质会影响碳纳米管的实际应用。目前，研究人员发现，可通过多通道结构提高碳纳米管场效应晶体管的稳定性，使其在几个月后依然保持稳定的性能。

技经观察 | 碳基半导体：中国芯片产业发展新机遇 技术篇( 五 )

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