碳基半导体？仅仅只有碳基纳米材料？

毋庸置疑，碳基半导体这一概念确实很新，话题太前沿，这一概念像网红，迅速被业界频繁追捧，甚至掀起投资热，但到底什么算碳基半导体材料？

这是相对目前的硅基半导体而言的，目前普遍认为碳基半导体是一种在碳基纳米材料的基础上发展出的，以碳纳米管，碳纳米纤维，纳米碳球、石墨烯等为主。主要利用碳纳米管、富勒烯、石墨烯等碳特殊结构实现电子管功能，其优势在于高频器件。

这其中的碳纳米管，就是制备碳基半导体的材料，是1991年日本研究人员首次在碳纤维中发现的，也就是碳纳米管这也是彭张二位教授研究的对象。这次被认为突破性进展，被大众所悉知，但这并不是中国碳基半导体技术第一次刊登在科学上，彭教授本身也一直在攻克基于碳纳米管的掺杂技术（旨在控制载流子浓度），早在2016年，彭练矛院士就认为2020年很有可能是实现后硅时代的关键节点年。

然而，小编的理解是碳基半导体，不仅仅只涵盖碳纳米管、石墨烯等纳米材料，被誉为终极半导体的金刚石难道不应该占有一席之地嘛？放大的说，以碳基为基础的半导体材料，都应该享有碳基半导体的大名，例如碳基二维半导体材料。甚至业界也有人认为碳化硅也是属于碳基半导体的行列。小编问了些行业大牛，他们同样认可。另外李述汤院士曾在10年前的一次会议中也提出过碳基半导体的概念。

接下来，小编为大家简单的整理碳基半导体的发展史上的突破性进展！

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。

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。

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。

2019年，清华大学化学工程系魏飞教授团队，实现在长度达到154mm后可实现99.9999%超长半导体管阵列的一步法制备，为制备结构完美、高纯半导体管水平阵列这一世界性难题提供了一项全新的技术路线，对新一代碳基电子材料的可控制备具有重要价值。

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。

美国在碳纳米管上的研究以麻省理工学院最具代表性。2019年，麻省理工学院马克斯·舒拉克团队开发出全球首款碳纳米管通用计算芯片RV16X-NANO。该微处理器芯片基于RISC-V指令集，在16位数据和地址上运行标准32位指令，所具有的晶体管数量超过1.4万个，并采用行业标准流程和工艺进行设计和制造，可执行指令获取、解码、寄存器、执行单元和写回存储器等功能。2020年6月，舒拉克团队在《自然·电子学》杂志发表了题为《在商用硅制造设施中制造碳纳米管场效应晶体管》的论文，证实碳纳米管场效应晶体管已接近商业化应用。在该研究中，舒拉克团队开发出“干式循环”和“人工浓缩”两种方法来优化制造过程，将碳纳米管晶体管的制造速率提升了1100倍，同时降低了生产成本。利用该技术创新，研究人员可在200mm晶圆上快速制备大量的碳纳米管场效应晶体管。此外，研究人员还证实，碳纳米晶体管还可以在室温下进行堆叠制造，从而制成多层芯片；而传统的硅晶体管需要在450-500℃的高温下制造，无法进行堆叠制造。该论文涉及的生产制造工作是在商业硅基生产线上进行的，表明碳纳米管集成电路已具备较大的量产可能性。

在集成电路领域，当前二维硅基集成电路发展最为成熟，但近年来随着集成电路集成度不断提高，芯片上的器件单元数量急剧增加，芯片面积增大。单元间连线的增长既影响电路工作速度又占用很多面积，严重影响集成电路进一步提高集成度和工作速度，且集成电路面积单纯的二维缩小已经达到摩尔极限。因此，研究人员开始重视集成电路纵向三维发展。但是，三维集成电路存在散热、电路串扰及制造工艺等问题。石墨烯电子迁移率高、导热性好，这使其既可获得很高的信号传输速度，又能在较低温度和高频下进行工作。因此，石墨烯成为一种非常理想的集成电路材料。石墨烯纳米带的二维晶格结构具有高导电率、高导热率和低噪声，这些性能可使其取代铜等金属线连接成为连接材料。

2013年，美国加州大学圣巴巴拉分校研究人员利用石墨烯优异的热导性能以及电学性能，提出一种新型多层石墨烯纳米束填充硅晶孔洞的三维集成电路。通过研究发现，多层石墨烯纳米束的传热以及配电性能优于铜和碳纳米管。此外，石墨烯的高电子迁移率、导热系数，使其散热性能非常好，这可以很好地解决当前随着集成电路器件集成度不断提高，芯片工作产生的热量不容易散出去的问题。2014年，中国华南师范大学物理与电信工程学院研究人员在三维芯片中增加了一个石墨烯层以解决散热问题。试验结果表明，加入石墨烯导热层后，峰值温度有了较好的改善，石墨烯层能够提供良好的散热通道，将热量快速分散开。同年，美国高斯公司申请制备具有石墨烯屏蔽效应的三维集成电路的专利。石墨烯层作为三维集成电路相邻层级或者相邻层之间的电磁干扰屏蔽体，可减少在层级之间的串扰，同时向周围传递热量。

2019年，中国科学院上海微系统与信息技术研究所谢晓明团队首次在较低温度条件下采用化学气相沉积外延成功制备6英寸无褶皱高质量石墨烯单晶晶圆，成功将外延生长石墨烯单晶的生长温度从1000℃成功降低到750℃。石墨烯单晶晶圆的批量化制备是石墨烯在电子学领域规模化应用的前提，低温外延制备晶圆级石墨烯单晶对于推动石墨烯在电子学领域的应用具有重要意义。2020年，该团队实现8英寸石墨烯单晶晶圆、4英寸锗基石墨烯晶圆、大面积六方氮化硼介质薄膜的中试生产，还与国内、国际多家单位合作，实现了石墨烯在微电子、能源、生物医学等领域的应用。

2019年，北京大学刘忠范院士与彭海琳教授联合团队循着外延衬底制备-石墨烯外延生长这一研究思路，首先制备了4英寸CuNi铜镍合金单晶薄膜，并以其为生长基底实现了4英寸石墨烯单晶晶圆的超快速制备。同时，该团队研发了石墨烯单晶晶圆批量制备装备，实现了单批次25片4英寸石墨烯单晶晶圆的制备，设备年产能可达1万片，在世界范围内率先实现了石墨烯单晶晶圆的可规模化制备。

在半导体晶体管领域，相比于硅晶体管，石墨烯晶体管优势在于其晶体管晶格高度稳定，即使在单碳原子厚度下还能稳定工作，而硅材料晶体管在10nm以下便会失去稳定性。薄且十分稳定的石墨烯晶体管不仅有助于电子元件向小型化发展，同时也允许其在极端温度条件下工作。此外，石墨烯的载流子移动极快，对外场的反应也极快，所以石墨烯晶体管可在很高频率下稳定工作。美国IBM公司研究人员曾对石墨烯晶体管进行模拟仿真实验。实验结果表明，当石墨烯晶体管的栅极尺寸为150nm时，频率可高达26GHz，而当这一尺寸缩小为50nm时，其频率将突破1THz，这一数据远高于现有的硅基晶体管。2011年，IBM制备出具有155GHz超高截止频率的新一代石墨烯晶体管，其具有40nm的选通脉冲宽度。当前研究成果表明，石墨烯晶体管的频率性能已超过相同栅极长度的最先进硅晶体管的截止频率（40GHz），但在晶体管制备上，石墨烯晶体管性能仍逊于碳纳米管晶体管。未来，石墨烯有望在三维集成电路、优化散热和更小尺寸芯片等方向发挥重要作用。

金刚石一直被业界誉为终极半导体材料，被认为是制备下一代高功率、高频、高温及低功率损耗电子器件最有希望的材料。但是金刚石材料如何能够实际应用，其实现商业化的最大问题是金刚石的高效体掺杂尚未解决，制造P型晶体管容易、但N型掺杂是第一大拦路虎，第二大拦路虎是双面点状掺杂形成PN节，构造出集成电路，任重而道远！

早在2000年之前，阿贡国家实验室已经就金刚石化学气相淀积（CVD）展开试验，并成立了先进金刚石技术公司。该公司和创新微技术公司合作制造出金刚石微机电系统，并促进了SP3金刚石技术等金刚石晶圆专业公司生产用于淀积金刚石晶体的CVD设备。虽然截止目前，金刚石最大的应用还是在珠宝、研磨料和人造钻石等领域，但阿贡国家实验室仍努力寻求可使金刚石（自然的绝缘体）变为半导体和导体的方法，以此为所有的金刚石芯片铺平道路。美国初创公司Akhan半导体公司已获美国能源部阿贡国家实验室的金刚石半导体工艺授权，再结合自身在金刚石领域的技术突破，计划成为首个真正实现金刚石半导体产品化的公司。

2004年英国元素六公司就生长出5 mm×5 mm的大尺寸电子级单晶，杂质总含量可以控制在5ppb（ppb为十亿分之一），位错密度在103～104个/cm2之间，是全球金刚石晶体管、金刚石量子通信技术和金刚石高能粒子探测器研制所需高质量单晶的主要提供者。多晶方面，目前已实现了电子级4英寸多晶金刚石商业化生产。

2012年，美国卡耐基研究院宣称在制造克拉级无色CVD金刚石方面取得重要进展，制造出无色单晶金刚石，加工后重达2.3克拉，生长速率达50 μm/h。而且已实现了方形金刚石在6个面上同时生长，使得大单晶金刚石生长成为可能。

日本AIST于2010年使用MPCVD制备出尺寸达12 mm的单晶金刚石和25 mm的马赛克晶片。2013年AIST继续扩大晶体尺寸，获得了38.1 mm（1.5英寸）金刚石片，2014年借助于同质外延技术和马赛克生长技术成功获得50.8 mm（2英寸）单晶金刚石，但其杂质和位错密度高。

2017年，德国奥格斯堡大学通过异质外延技术实现了直径92 mm、155克拉的大尺寸单晶金刚石材料，为大尺寸单晶金刚石的研制提供新的技术途径，但由于采用异质外延导致位错密度较高。

2018年，西安交通大学王宏兴教授团队英寸级单晶金刚石衬底及其关键设备的产业化，采用等晶面及镶嵌拼凑融合的方法形成一套大面积单晶金刚石生长的工艺规范，可生产1英寸（25.4х25.4mm）以上单晶金刚石衬底及薄膜产品。  获得采用克隆技术量产大面积单晶金刚石的整体技术。

2021年1月11日，哈尔滨工业大学的韩杰才院士团队，与香港城市大学、麻省理工学院等单位合作，在金刚石单晶领域取得重大科研突破。该项研究成果现已通过 “微纳金刚石单晶的超大均匀拉伸弹性”为题在线发表于国际著名学术期刊《科学》。这项研究首次通过纳米力学新方法，通过超大均匀的弹性应变调控，从根本上改变金刚石的能带结构，为实现下一代金刚石基微电子芯片提供了一种全新的方法，为弹性应变工程及单晶金刚石器件的应用提供基础性和颠覆性解决方案。

但理论上讲，金刚石无论是力学、学还是导电性都具有极高的价值，金刚石制作的芯片也比硅芯片更强、更耐抗，即使在高温情况下也可以保持其半导体能力。但在迄今为止的几乎所有实验中，金刚石结晶始终保持其独立性，无法对电流产生有效影响，因此目前也几乎无法在电子工业方面得到应用。

要想突破金刚石半导体技术瓶颈，金刚石材料制备技术的提升是金刚石电子器件性能提升的推动力。如果能够解决大尺寸高质量单晶制备及高平整度、高均匀性材料外延技术等瓶颈问题，实现更高功率性能的金刚石电子器件指日可待！

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我国在碳基半导体研究的另辟蹊径，有望打破几十年的硅基技术跟随。在以美国为首的高科技封堵大幕正悄悄拉开。但技术发展和产业完善不是一蹴而就的。碳基半导体和硅基半导体材料在性能和成本等不同角度拥有各自的优势，未来碳基即使能打破硅基半导体完全垄断的局面，碳基与硅基也仍将维持长时间共存和互补式发展的状态。

碳基半导体是产业发展注定是一项长期而艰巨的任务。虽然目前碳基半导体材料在材料制备技术和性能方面有着极大的进展，但其产业化应用方向却十分模糊。半导体产业链环节众多，除材料制备外，还需要设计、制造、封装等众多工具和环节配合，形成生态链。这就需要产业界和学术界共同努力，探索碳基半导体材料未来产业实际需求与重点应用方向，推动我国半导体技术与产业快速发展。

2021年5月21-23日 中国·宁波