觀點丨石墨烯要做硅材料的接班人？碳納米管表示不服

2017年1月20日，頂級科學雜志Nature刊登了北京大學教授彭練矛和物理電子學研究所副所長張志勇課題組在碳納米管電子學領域取得的世界級突破：首次制備出5 nm柵長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場效應晶體管，將晶體管性能推至理論極致。

2月27日，央視新聞頻道播出了專題節目《神奇的石墨烯》，節目中提到，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，也有望讓我國的芯片制造業實現彎道超車，達到國際先進水平。

眾所周知，全球的集成電路產業一直在摩爾定律的“照耀”下沿著硅基的路線前行，但當主流的CMOS技術發展到10 nm技術節點之后，后續發展越來越受到來自物理規律和制造成本的限制，摩爾定律有可能面臨終結。20多年來，科學界和產業界一直在探索各種新材料和新原理的晶體管技術，期望替代硅基CMOS技術，但到目前為止，并沒有機構能夠實現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，國際半導體技術線路圖(ITRS)委員會首次明確指出在2020年前后硅基CMOS技術將達到其性能極限。后摩爾時代的集成電路技術的研究變得日趨急迫，很多人認為微電子工業在走到7 nm技術節點之后可能不得不面臨放棄繼續使用硅材料作為晶體管導電溝道。在為數不多的可能替代材料中，碳基納米材料被公認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替代技術之后，明確向半導體行業推薦重點研究碳基電子學，作為未來5~10年顯現商業價值的下一代電子技術。美國國家科學基金委員會(NSF)十余年來除了在美國國家納米技術計劃中繼續對碳納米材料和相關器件給予重點支持外，在2008年還專門啟動了“超過摩爾定律的科學與工程項目”，其中碳基電子學研究被列為重中之重。其后美國不斷加大對碳基電子學研究的投入，美國國家納米計劃從2010年開始將“2020年后的納米電子學”設置為3個重中之重的成名計劃(signature initiatives)之一。除美國外，歐盟和其他各國政府也高度重視碳納米材料和相關電子學的研究和開發應用，布局和繼續搶占信息技術核心領域的制高點。

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

碳納米管集成電路的研發優勢與發展現狀

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石墨電弧設備中產生的球狀碳分子時，意外發現了由碳分子組成的管狀同軸納米管，也就是現在被稱作的碳納米管CNT，又名巴基管。

碳管材料具有極為優秀的電學特性。室溫下碳管的n型和p型載流子(電子和空穴)遷移率對稱，均可以達到10000cm2/(V?s)以上，遠超傳統半導體材料。另外碳管的直徑僅有1～3 nm，更容易被柵極電壓非常有效開啟和關斷。

碳納米管相對于硅材料的優點：

1)載流子輸運是一維的。這意味著減少了對載流子散射的相空間，開辟了彈道輸運的可能性。相應地，功耗低。

2)所有碳原子的化學鍵都是鏈接的，由此，沒有必要進行化學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，高介電常數和晶體絕緣體都可以直接使用。

3)強共價鍵結構能使碳納米管具有較高的機械穩定性和熱穩定性，且對電遷移有很好的抵抗力，可以承受的電流密度高達10 A/cm。

4)它們的關鍵尺寸，即直徑，是由化學反應控制，而不是傳統的制造工藝。

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

斯坦福大學研究組采用如(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碳納米管計算機；(c)主要功能單元的掃描電子顯微鏡像

碳納米管半導體器件的研究進展：

近年來，基于碳納米管的碳基電子學研究取得了飛速發展，并逐漸從基礎研究轉向實際應用。得益于材料自身的優良性質和世界范圍的政策和資金支持，研發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的成就，達到了其他納米材料從未達到過的高度。

研究進展表明碳基電子學器件相比傳統硅基器件具有5～10倍的速度和能耗優勢，可以實現5 nm以下的半導體技術節點，滿足2020年之后新型半導體芯片的發展需求。研發人員已經實現了具有各種功能的基礎邏輯單元，原則上就可以利用這些邏輯單元制備出具有極高復雜程度的碳基集成電路。

Science雜志于2013年發表了美國斯坦福大學的研究人員采用178個碳納米管晶體管制造出的的計算機原型。MIT Technology Review于2014年報道了美國IBM公司表示將在2020年之前利用碳納米管制備出比現有芯片快5倍的半導體芯片。美國IBM公司于相關媒體發表的結果表明，基于碳納米管的半導體芯片在性能和能耗方面都比傳統硅基芯片有顯著改善：硅基半導體技術從7 nm縮減到5 nm節點，相應的芯片性能大約有20%的增加，而7 nm技術節點下的碳基半導體技術比硅基7 nm的性能提高300%，相當15代硅基技術的改善。這些進展使半導體產業界看到了碳基電子學時代的曙光，有望將性能持續提高的摩爾定律延續到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，因為只有半導體特性的納米管才有晶體管性能。現有的制備方法生產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，直接導致導電性質的不同，這使得碳納米管在大部分實際應用存在許多困難。

彭練矛教授在接受采訪時透露，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，這是全球首創的，他們課題組經過10多年的研究，開發出無摻雜制備方法，研制的10 nm碳納米管頂柵CMOS場效應晶體管，其p型和n型器件在更低工作電壓(0.4 V)下，性能均超過了目前最好的、在更高工作電壓(0.7 V)下工作的硅基CMOS晶體管。現在，他們又克服了尺寸縮小的工藝限制，成功開發出5 nm柵長碳納米晶體管，其性能接近了由量子力學原理決定的理論極限。

石墨烯場效應晶體管的研究現狀和進展

石墨烯是一種二維碳結構材料，因為其具有零禁帶特性，即使在室溫下載流子在石墨烯中的平均自由程和相干長度也可為微米級，所以是一種性能優異的導電材料。石墨烯場效應器件最重要的挑戰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的硅半導體晶體管相比，有以下特點：

(1)在電場的調控下，石墨烯中的載流子類型能夠在電子和空穴間連續變化，具有雙極型導電性。因此GFET無法像傳統半導體晶體管那樣被有效地關閉,不適于作邏輯器件。但采取一些新型的結構也能得到基于石墨烯的高開關電流器件；

(2)石墨烯的載流子遷移率很高，而且可被電場調控，在高頻領域，尤其在射頻(RF)領域中有很大的應用潛力。

(3)石墨烯本身為二維材料，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移到任意襯底上，有利于制備石墨烯與其他材料的異質結，研究新的物理現象和新的電子器件。

石墨烯優于碳納米管的是，在制造碳納米管的工藝中，會生成金屬和半導體材料的碳納米管混合物，在制作復雜電路時，碳納米管必須經過仔細篩選和定位，目前還沒有開發出非常好的方法，而這對石墨烯而言則要容易得多。這種獨特的電性能使石墨烯作為一種替代材料在許多新的領域得到應用。

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

據報導，曼切斯特大學Andre Geim小組，除了已開發出了10 nm級可實際運行的石墨烯晶體管外，他們尚未公布的最新研究成果，已研制出長寬均為1個分子的更小的石墨烯晶體管，該石墨烯晶體管實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的噪音會越來越明顯，使器件信噪比惡化，這種現象就是“豪格規則(Hooge's Law)”。石墨烯、碳納米管以及硅材料都會產生該現象，因此，如何減小1/f噪聲成為實現納米元件的關鍵問題之一。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電子結合，從而控制了1/f噪音。IBM公司的Ming-YuLin的發現證明，2層石墨烯有望應用于各種各樣的領域。

2008年5月美國喬治亞科技學院德希爾與麻省理工學院林肯實驗室合作在單一芯片上生成的幾百個石墨烯晶體管陣列。

硅基的微計算機處理器在室溫條件下每秒鐘只能執行一定數量的操作，然而電子穿過石墨烯幾乎沒有任何阻力，所產生的熱量也非常少。此外，石墨烯本身就是一個良好的導熱體，可以很快地散發熱量。由于具有優異的性能，由石墨烯制造的電子產品運行的速度要快得多。

石墨烯器件制成的計算機的運行速度可達到太赫茲，即1×10^6?kHz的1000倍，如果能進一步開發，其意義不言而喻。

除了讓計算機運行得更快，石墨烯器件還能用于需要高速工作的通信技術和成像技術。有關專家認為，石墨烯很可能首先應用于高頻領域，如太赫茲波成像，用途之一是用來探測隱藏的武器。速度還不是石墨烯的唯一優點，硅不能分割成小于10 nm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1 nm小片時，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揮。

結論：硅材料鹿死誰手還未可知

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

2)碳納米管性質優良而且發現較早，人們對其制取及構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建實用微電子器件的條件，但傳統的構建器件的方法存在一些問題，而且對不同碳納米管的分離是最大的挑戰，實現碳納米管集成電路仍需一定時間的探索。

3)石墨烯與碳納米管一樣具有優良的性質，而且構建器件時不必經歷復雜的分離過程，比碳納米管實用性更強，在制備上也取得了一定的突破，但其發現較晚，在器件制備上還有待探索。在未來，二者可能共同成為構成集成電路的主導材料。

本文轉載自簡書作者聚碳復材，鏈接：http://www.jianshu.com/p/a49fb2da83ae。

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