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碳基芯片技术就是碳基集成电路技术。碳基芯片是芯片的衬底、或者晶体管的沟道、或者栅极等用碳基材料制成的芯片。与硅基芯片相比，碳基芯片具有性能更好、功耗更低、效率更高的显著优势。碳基材料是指以碳元素为主体的材料，它们包括碳化硅（SiC）、金刚石（C）、石墨、碳纳米管（CNT）、石墨烯（Graphene）、富勒烯、石墨炔等。经过多年研究，业界已把金刚石、石墨烯和碳纳米管作为了芯片制造材料重点优选对象。金刚石可用作芯片的衬底材料，石墨烯和碳纳米管可作为晶体管的沟道材料和栅极材料。
碳化硅和金刚石是第三代半导体材料，可以在第三代半导体中介绍。本节介绍的碳基芯片侧重点是用石墨烯和碳纳米管为主要材料制成的芯片。
为什么碳基芯片会成为芯片前沿技术热点，原因一是硅基芯片沿着摩尔定律即将走向尽头，业界急需寻找替代发展路径；二是石墨烯和碳纳米管为主的碳基材料具有稳定性好，电学性能理想，散热性能好等优点，是理想的芯片材料候选对象；三是碳基芯片制造可以沿用部分硅基芯片制造工艺和设备，可以方便地进行产业转型和升级。
我们可以从钻石了解金刚石，从铅笔芯了解石墨、石墨烯和碳纳米管及三者的区别。图1是几种碳基材料的原子结构示意图。左1图是金刚石的晶体结构，金刚石经过切割打磨后就是钻石。左2图是石墨的晶体结构，它是铅笔芯的主要材料。把石墨一层一层地剥离成单层原子组成的片状的材料，它就是石墨烯，它的晶体结构如右2图所示，石墨可以看作是石墨烯堆叠而成的。右1图是碳纳米管的晶体结构，它是石墨烯的封闭卷曲的管状结构。
图1 几种碳基材料的原子结构示意图
石墨烯是导体，是最薄的纳米材料，厚度只有0.335nm。它具有以下特点，一是结构稳定，不易发生变形；二是电学性能很好，在特定条件下，它的载流子迁移率可高达250000cm2/(V•s)，也就是说它传递电信号的速度非常快；三是导热性能很好，其导热系数高达5300W//m•K。因此，人们期待石墨烯用来制作芯片，不仅可以大幅提升计算机的性能，而且不用担心芯片散热的问题。
碳纳米管（CNT）可简称碳管，碳纳米管根据导电性分为金属型碳纳米管、半导体型碳纳米管（简称金属碳管、半导体碳管）。它也可以根据圆管层数分为单层碳纳米管、多层碳纳米管（简称单层碳管、多层碳管）。单层碳管典型的直径和长度分别为0.75~3nm和1000~50000nm，多层碳管的典型直径和长度分别为2~30nm和100~50000nm。只有半导体型的碳纳米管可用于芯片制造。
石墨烯和碳管用于制作碳基芯片，技术难点在于高纯度石墨烯制备、生长的工艺和设备；高纯度无缺陷的碳管制备、生长、处理的工艺和设备；如何生长纯度水平在99.999999％以上的半导体型碳管，而不会混进金属型碳管；如何精确控制碳管的直径；如何制造碳基晶体管等。
2011年6月，IBM公司的托马斯•沃森研究中心的科学家在《科学》上发文宣布，他们研制出了首款由石墨烯制成的芯片，这块芯片制造在碳化硅衬底上，电路由石墨烯场效应晶体管组成。该成果被评为《环球科学》杂志2011全球十大科学新闻。
2019年8月28日，麻省理工学院（MIT）的Gage Hills等人在自然杂志（Nature）发表论文，报告他们研制成功一个完全由碳管晶体管构成的16位微处理器，并提出一套碳管制造方法。这款名为RV16X-NANO的微处理器基于RISC-V指令集，在16位数据和地址上运行标准的32位指令，它包含14000多个碳管场效应晶体管（CNFET），使用了改进的行业标准工艺流程进行设计和制造。图2是 RV16X-NANO裸片的显微图和生产了32块RV16X-NANO芯片的6英寸晶圆的照片。
图2 RV16X-NANO裸片的显微图、6英寸晶圆上的32块芯片
我国在石墨烯材料研究和制备、碳管器件及材料制备领域具有优势，在单根碳管晶体管无掺杂制备及最小碳管器件方面做出了许多原创性贡献。最著名的研究团队部是北京大学彭练矛院士和张志勇教授团队，它们在碳基芯片研究方面辛勤耕耘近20年，取得了许多令世界瞩目的研究成果。
2017年，彭院士团队首次制备了栅长5nm的碳管晶体管，这是当时世界上最小的高性能晶体管。理论上相比当时同尺寸的硅基晶体管具有10倍本征性能功耗综合优势，该成果首次登在《科学》杂志。
2018年，彭院士团队采用具有特定掺杂的石墨烯作为“冷”电子源，用半导体碳管作为有源沟道，以高效率的顶栅结构搭建出狄拉克源场效应晶体管（DS-FET），它具有多方面良好的性能，该成果发表在《科学》杂志上。同年，该团队用这种高性能晶体管制备出小规模芯片，最高速度可达5GHz。
2019年10月2日，清华大学魏飞教授团队在在《自然-通讯》上在线发表了一项研究成果，公开了实现纯度达99.9999%的超长半导体碳管阵列的一步法制备方法。这一方法为制备结构完美、高纯度的半导体碳管水平阵列这一世界性难题提供了全新的技术路线。
2020 年5月22日，彭院士团队在《科学》杂志发表了《用于高性能电子学的高密度半导体碳纳米管平行阵列》的论文，介绍了半导体碳管的多次提纯和维度限制自组装方法。该方法可以在4英寸基底上，制备出密度高达每微米120支、纯度超过99.9999%、直径分布为1.45±0.23nm的碳管平行阵列，这一成果将为碳基半导体进入工业化奠定了基础。
同年，彭院士团队用高纯度、高密度碳管阵列材料首先实现了性能超越硅基芯片的碳管芯片，电路频率超过8GHz，跻身国际技术前沿水平。
2020年10月16日，在上海举行的中国国际石墨烯创新大会上，中科院上海微系统所的研究团队发布创新成果，历经十年研究和攻关，他们实现了8英寸石墨烯晶圆的小规模量产，图3是首个8英寸石墨烯晶圆的展示图。
图3 首个8英寸石墨烯晶圆的展示图
目前对碳基芯片的研究主要集中在对晶体管器件结构的研究，研究成果可谓是百花齐放。目前，业界还没有筛选出那种结构最有优势。许多研究成果中，石墨烯和碳管主要用作晶体管的沟道和栅极材料，图4是目前科技论文和科研成果中公开的几种碳基晶体管的结构示意图。
图4 几种碳基晶体管的结构示意图
图（a）是用一根碳纳米管（CNT）作电流沟道的晶体管结构，晶体管的栅极（G）位于沟道之下，碳管两端分别是晶体管的源极（S）和漏极（D），这种结构与硅基晶体管很相似。图（b）是用多根碳管作沟道的晶体管结构，多根碳管并排组成了晶体管的电流沟道，这种结构可使沟道电流增大。图（c）是用石墨烯作为电流沟道，用碳管作栅极的晶体管结构，这个晶体管用两个栅极G1和G2来控制沟道电流的“通”和“断”。图（d）是用2个碳管晶体管构成的CMOS 反相器的结构示意图。图（e）与图（b）的晶体管结构相似，都是采用多根碳纳米管作为电流沟道，这两种结构的碳纳米管整齐排列。特别是图（e）所示晶体管的研制者称这些碳管为碳管阵列，想必是它们排列非常整齐吧。
由图4可以看到，碳基晶体管的结构与硅基晶体管的结构很相似，所以碳基芯片的制造可以沿用部分硅基芯片制造工艺和设备。这就是为什么科学家首先尝试用碳基芯片来接棒硅基芯片的原因。沿着这条技术路线走，碳基芯片的先进性带来许多好处，硅基芯片工艺和设备可以沿用，一举两得。但是，光刻机还是一道绕不过去的坎儿，因为光刻机还是碳基芯片制造必不可少的关键设备，不过由于碳基芯片远比硅芯片先进，制造高性能的碳基芯片并不需要很精密的EUV 光刻机。例如40nm的碳基芯片可以达到10nm硅基芯片的性能，14nm的碳基芯片可能达到3nm、2nm的硅基芯片的性能。
目前碳基芯片的研究更多地还是处于理论研究和实验室样品阶段，从试验室样品到商业化大批量生产还需要很长的时间。碳基芯片是后摩尔时代芯片前沿技术之一。碳基芯片要全面取代硅基芯片，需要产业链和碳基芯片生态成熟后才变得可行，这包括设计工具、原材料、设备、工艺的条件成熟，并且需要产品有更好的性价比。在此之前，硅基芯片将还是芯片世界的霸主。
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