這是相對目前的硅基半導(dǎo)體而言的，目前普遍認(rèn)為碳基半導(dǎo)體是一種在碳基納米材料的基礎(chǔ)上發(fā)展出的，以碳納米管，碳納米纖維，納米碳球、石墨烯等為主。主要利用碳納米管、富勒烯、石墨烯等碳特殊結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)電子管功能，其優(yōu)勢在于高頻器件。
這其中的碳納米管，就是制備碳基半導(dǎo)體的材料，是1991年日本研究人員首次在碳纖維中發(fā)現(xiàn)的，也就是碳納米管這也是彭張二位教授研究的對象。這次被認(rèn)為突破性進(jìn)展，被大眾所悉知，但這并不是中國碳基半導(dǎo)體技術(shù)第一次刊登在科學(xué)上，彭教授本身也一直在攻克基于碳納米管的摻雜技術(shù)（旨在控制載流子濃度），早在2016年，彭練矛院士就認(rèn)為2020年很有可能是實(shí)現(xiàn)后硅時(shí)代的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)年。
然而，小編的理解是碳基半導(dǎo)體，不僅僅只涵蓋碳納米管、石墨烯等納米材料，被譽(yù)為終極半導(dǎo)體的金剛石難道不應(yīng)該占有一席之地嘛？放大的說，以碳基為基礎(chǔ)的半導(dǎo)體材料，都應(yīng)該享有碳基半導(dǎo)體的大名，例如碳基二維半導(dǎo)體材料。甚至業(yè)界也有人認(rèn)為碳化硅也是屬于碳基半導(dǎo)體的行列。小編問了些行業(yè)大牛，他們同樣認(rèn)可。另外李述湯院士曾在10年前的一次會(huì)議中也提出過碳基半導(dǎo)體的概念。
接下來，小編為大家簡單的整理碳基半導(dǎo)體的發(fā)展史上的突破性進(jìn)展！
I.碳納米管
碳納米管是未來最有希望取代硅基材料的理想碳基半導(dǎo)體材料。IBM研究表明，10nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)后碳納米管芯片在性能和功耗方面都將比硅芯片有明顯改善。從硅基7nm到5nm技術(shù)，芯片速度大約提升20%，而相比硅基7nm技術(shù)，碳納米管基7nm技術(shù)的芯片速度將提升300%。
北京大學(xué)彭練矛團(tuán)隊(duì)研究結(jié)果表明，在14nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)碳納米管晶體管的速度和功耗均較硅基器件有10倍以上的優(yōu)勢，進(jìn)入10nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)后這種優(yōu)勢還將繼續(xù)加大。此外，半導(dǎo)體型碳納米管材料屬于直接帶隙半導(dǎo)體，所有能帶間的躍遷不需聲子輔助，是很好的紅外發(fā)光材料。理論分析表明，基于碳納米結(jié)構(gòu)的電子器件可以有非常好的高頻響應(yīng)，其工作頻率有望超過太赫茲，性能優(yōu)于所有已知的半導(dǎo)體材料。
自1998年第一個(gè)碳納米管晶體管問世后，研究人員就開始探索碳納米管半導(dǎo)體器件應(yīng)用的可能性。最初，國外研究團(tuán)隊(duì)IBM、英特爾采用半導(dǎo)體主流CMOS技術(shù)--摻雜工藝制備高性能碳納米晶體管，然而制備出的碳納米管晶體管性能遠(yuǎn)低于硅基晶體管。2005年，英特爾對所有納米晶體管進(jìn)行了定量比較，研究結(jié)果表明，雖然碳納米管基器件p型晶體管的性能遠(yuǎn)優(yōu)于相應(yīng)的硅基器件，但其n型晶體管的性能則遠(yuǎn)遜于相同尺寸的硅基器件。集成電路的發(fā)展要求性能匹配的p型和n型晶體管。n型碳納米管晶體管性能的落后嚴(yán)重制約了碳納米管電子學(xué)的發(fā)展，發(fā)展穩(wěn)定高性能的n型碳納米管器件成了2005年之后碳納米管集成電路研究領(lǐng)域最重要的課題之一。我國研究人員通過多年努力，在該領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了突破。2007年，北京大學(xué)彭練矛團(tuán)隊(duì)在高性能碳納米管場效應(yīng)晶體管制備方面，發(fā)現(xiàn)利用金屬鈧（Sc）和釔（Y）可以與碳納米管的導(dǎo)帶形成理想歐姆接觸，制備出高性能彈道n型碳納米管場效應(yīng)晶體管，器件性能接近理論極限。
2008年，彭練矛團(tuán)隊(duì)突破了n型碳納米管制備這一跨世紀(jì)難題，創(chuàng)造性地研發(fā)出一整套高性能碳納米管晶體管的無摻雜制備方法，并在2017年首次制備出柵長5nm的晶體管，同時(shí)證明了碳納米晶體管可以在達(dá)到理論極限時(shí)克服短溝道效應(yīng)，也就是可以用一個(gè)簡單的平面工藝一直走到物理極限，無需像硅技術(shù)那樣發(fā)展更復(fù)雜的三維晶體管技術(shù)以降低短溝道效應(yīng)。2018年，該團(tuán)隊(duì)再次突破了傳統(tǒng)的理論極限，發(fā)展出新原理的超低功耗的狄拉克源晶體管；同年，團(tuán)隊(duì)用高性能的晶體管制備出集成電路，最高速度達(dá)到5×103MHz，不僅躋身與斯坦福大學(xué)、麻省理工學(xué)院等研究機(jī)構(gòu)同步的國際領(lǐng)跑行列，而且在最關(guān)鍵的核心技術(shù)上是世界領(lǐng)先的。
2019年，清華大學(xué)化學(xué)工程系魏飛教授團(tuán)隊(duì)，實(shí)現(xiàn)在長度達(dá)到154mm后可實(shí)現(xiàn)99.9999%超長半導(dǎo)體管陣列的一步法制備，為制備結(jié)構(gòu)完美、高純半導(dǎo)體管水平陣列這一世界性難題提供了一項(xiàng)全新的技術(shù)路線，對新一代碳基電子材料的可控制備具有重要價(jià)值。
2020年，彭練矛、張志勇團(tuán)隊(duì)突破了半導(dǎo)體碳納米管關(guān)鍵的材料瓶頸，且制備出的器件和電路在真實(shí)電子學(xué)表現(xiàn)上首次超過了硅基產(chǎn)品，這意味著碳基集成電路已經(jīng)初步具備工業(yè)化基礎(chǔ)。
美國在碳納米管上的研究以麻省理工學(xué)院最具代表性。2019年，麻省理工學(xué)院馬克斯·舒拉克團(tuán)隊(duì)開發(fā)出全球首款碳納米管通用計(jì)算芯片RV16X-NANO。該微處理器芯片基于RISC-V指令集，在16位數(shù)據(jù)和地址上運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)32位指令，所具有的晶體管數(shù)量超過1.4萬個(gè)，并采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)流程和工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造，可執(zhí)行指令獲取、解碼、寄存器、執(zhí)行單元和寫回存儲器等功能。2020年6月，舒拉克團(tuán)隊(duì)在《自然·電子學(xué)》雜志發(fā)表了題為《在商用硅制造設(shè)施中制造碳納米管場效應(yīng)晶體管》的論文，證實(shí)碳納米管場效應(yīng)晶體管已接近商業(yè)化應(yīng)用。在該研究中，舒拉克團(tuán)隊(duì)開發(fā)出“干式循環(huán)”和“人工濃縮”兩種方法來優(yōu)化制造過程，將碳納米管晶體管的制造速率提升了1100倍，同時(shí)降低了生產(chǎn)成本。利用該技術(shù)創(chuàng)新，研究人員可在200mm晶圓上快速制備大量的碳納米管場效應(yīng)晶體管。此外，研究人員還證實(shí)，碳納米晶體管還可以在室溫下進(jìn)行堆疊制造，從而制成多層芯片；而傳統(tǒng)的硅晶體管需要在450-500℃的高溫下制造，無法進(jìn)行堆疊制造。該論文涉及的生產(chǎn)制造工作是在商業(yè)硅基生產(chǎn)線上進(jìn)行的，表明碳納米管集成電路已具備較大的量產(chǎn)可能性。
II.石墨烯
在集成電路領(lǐng)域，當(dāng)前二維硅基集成電路發(fā)展最為成熟，但近年來隨著集成電路集成度不斷提高，芯片上的器件單元數(shù)量急劇增加，芯片面積增大。單元間連線的增長既影響電路工作速度又占用很多面積，嚴(yán)重影響集成電路進(jìn)一步提高集成度和工作速度，且集成電路面積單純的二維縮小已經(jīng)達(dá)到摩爾極限。因此，研究人員開始重視集成電路縱向三維發(fā)展。但是，三維集成電路存在散熱、電路串?dāng)_及制造工藝等問題。石墨烯電子遷移率高、導(dǎo)熱性好，這使其既可獲得很高的信號傳輸速度，又能在較低溫度和高頻下進(jìn)行工作。因此，石墨烯成為一種非常理想的集成電路材料。石墨烯納米帶的二維晶格結(jié)構(gòu)具有高導(dǎo)電率、高導(dǎo)熱率和低噪聲，這些性能可使其取代銅等金屬線連接成為連接材料。
2013年，美國加州大學(xué)圣巴巴拉分校研究人員利用石墨烯優(yōu)異的熱導(dǎo)性能以及電學(xué)性能，提出一種新型多層石墨烯納米束填充硅晶孔洞的三維集成電路。通過研究發(fā)現(xiàn)，多層石墨烯納米束的傳熱以及配電性能優(yōu)于銅和碳納米管。此外，石墨烯的高電子遷移率、導(dǎo)熱系數(shù)，使其散熱性能非常好，這可以很好地解決當(dāng)前隨著集成電路器件集成度不斷提高，芯片工作產(chǎn)生的熱量不容易散出去的問題。2014年，中國華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院研究人員在三維芯片中增加了一個(gè)石墨烯層以解決散熱問題。試驗(yàn)結(jié)果表明，加入石墨烯導(dǎo)熱層后，峰值溫度有了較好的改善，石墨烯層能夠提供良好的散熱通道，將熱量快速分散開。同年，美國高斯公司申請制備具有石墨烯屏蔽效應(yīng)的三維集成電路的專利。石墨烯層作為三維集成電路相鄰層級或者相鄰層之間的電磁干擾屏蔽體，可減少在層級之間的串?dāng)_，同時(shí)向周圍傳遞熱量。
2019年，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所謝曉明團(tuán)隊(duì)首次在較低溫度條件下采用化學(xué)氣相沉積外延成功制備6英寸無褶皺高質(zhì)量石墨烯單晶晶圓，成功將外延生長石墨烯單晶的生長溫度從1000℃成功降低到750℃。石墨烯單晶晶圓的批量化制備是石墨烯在電子學(xué)領(lǐng)域規(guī)模化應(yīng)用的前提，低溫外延制備晶圓級石墨烯單晶對于推動(dòng)石墨烯在電子學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義。2020年，該團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)8英寸石墨烯單晶晶圓、4英寸鍺基石墨烯晶圓、大面積六方氮化硼介質(zhì)薄膜的中試生產(chǎn)，還與國內(nèi)、國際多家單位合作，實(shí)現(xiàn)了石墨烯在微電子、能源、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用。
2019年，北京大學(xué)劉忠范院士與彭海琳教授聯(lián)合團(tuán)隊(duì)循著外延襯底制備-石墨烯外延生長這一研究思路，首先制備了4英寸CuNi銅鎳合金單晶薄膜，并以其為生長基底實(shí)現(xiàn)了4英寸石墨烯單晶晶圓的超快速制備。同時(shí)，該團(tuán)隊(duì)研發(fā)了石墨烯單晶晶圓批量制備裝備，實(shí)現(xiàn)了單批次25片4英寸石墨烯單晶晶圓的制備，設(shè)備年產(chǎn)能可達(dá)1萬片，在世界范圍內(nèi)率先實(shí)現(xiàn)了石墨烯單晶晶圓的可規(guī)模化制備。
在半導(dǎo)體晶體管領(lǐng)域，相比于硅晶體管，石墨烯晶體管優(yōu)勢在于其晶體管晶格高度穩(wěn)定，即使在單碳原子厚度下還能穩(wěn)定工作，而硅材料晶體管在10nm以下便會(huì)失去穩(wěn)定性。薄且十分穩(wěn)定的石墨烯晶體管不僅有助于電子元件向小型化發(fā)展，同時(shí)也允許其在極端溫度條件下工作。此外，石墨烯的載流子移動(dòng)極快，對外場的反應(yīng)也極快，所以石墨烯晶體管可在很高頻率下穩(wěn)定工作。美國IBM公司研究人員曾對石墨烯晶體管進(jìn)行模擬仿真實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)石墨烯晶體管的柵極尺寸為150nm時(shí)，頻率可高達(dá)26GHz，而當(dāng)這一尺寸縮小為50nm時(shí)，其頻率將突破1THz，這一數(shù)據(jù)遠(yuǎn)高于現(xiàn)有的硅基晶體管。2011年，IBM制備出具有155GHz超高截止頻率的新一代石墨烯晶體管，其具有40nm的選通脈沖寬度。當(dāng)前研究成果表明，石墨烯晶體管的頻率性能已超過相同柵極長度的最先進(jìn)硅晶體管的截止頻率（40GHz），但在晶體管制備上，石墨烯晶體管性能仍遜于碳納米管晶體管。未來，石墨烯有望在三維集成電路、優(yōu)化散熱和更小尺寸芯片等方向發(fā)揮重要作用。
III.金剛石
金剛石一直被業(yè)界譽(yù)為終極半導(dǎo)體材料，被認(rèn)為是制備下一代高功率、高頻、高溫及低功率損耗電子器件最有希望的材料。但是金剛石材料如何能夠?qū)嶋H應(yīng)用，其實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的最大問題是金剛石的高效體摻雜尚未解決，制造P型晶體管容易、但N型摻雜是第一大攔路虎，第二大攔路虎是雙面點(diǎn)狀摻雜形成PN節(jié)，構(gòu)造出集成電路，任重而道遠(yuǎn)！
早在2000年之前，阿貢國家實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)就金剛石化學(xué)氣相淀積（CVD）展開試驗(yàn)，并成立了先進(jìn)金剛石技術(shù)公司。該公司和創(chuàng)新微技術(shù)公司合作制造出金剛石微機(jī)電系統(tǒng)，并促進(jìn)了SP3金剛石技術(shù)等金剛石晶圓專業(yè)公司生產(chǎn)用于淀積金剛石晶體的CVD設(shè)備。雖然截止目前，金剛石最大的應(yīng)用還是在珠寶、研磨料和人造鉆石等領(lǐng)域，但阿貢國家實(shí)驗(yàn)室仍努力尋求可使金剛石（自然的絕緣體）變?yōu)榘雽?dǎo)體和導(dǎo)體的方法，以此為所有的金剛石芯片鋪平道路。美國初創(chuàng)公司Akhan半導(dǎo)體公司已獲美國能源部阿貢國家實(shí)驗(yàn)室的金剛石半導(dǎo)體工藝授權(quán)，再結(jié)合自身在金剛石領(lǐng)域的技術(shù)突破，計(jì)劃成為首個(gè)真正實(shí)現(xiàn)金剛石半導(dǎo)體產(chǎn)品化的公司。
2004年英國元素六公司就生長出5 mm×5 mm的大尺寸電子級單晶，雜質(zhì)總含量可以控制在5ppb（ppb為十億分之一），位錯(cuò)密度在103～104個(gè)/cm2之間，是全球金剛石晶體管、金剛石量子通信技術(shù)和金剛石高能粒子探測器研制所需高質(zhì)量單晶的主要提供者。多晶方面，目前已實(shí)現(xiàn)了電子級4英寸多晶金剛石商業(yè)化生產(chǎn)。
2012年，美國卡耐基研究院宣稱在制造克拉級無色CVD金剛石方面取得重要進(jìn)展，制造出無色單晶金剛石，加工后重達(dá)2.3克拉，生長速率達(dá)50 μm/h。而且已實(shí)現(xiàn)了方形金剛石在6個(gè)面上同時(shí)生長，使得大單晶金剛石生長成為可能。
日本AIST于2010年使用MPCVD制備出尺寸達(dá)12 mm的單晶金剛石和25 mm的馬賽克晶片。2013年AIST繼續(xù)擴(kuò)大晶體尺寸，獲得了38.1 mm（1.5英寸）金剛石片，2014年借助于同質(zhì)外延技術(shù)和馬賽克生長技術(shù)成功獲得50.8 mm（2英寸）單晶金剛石，但其雜質(zhì)和位錯(cuò)密度高。
2017年，德國奧格斯堡大學(xué)通過異質(zhì)外延技術(shù)實(shí)現(xiàn)了直徑92 mm、155克拉的大尺寸單晶金剛石材料，為大尺寸單晶金剛石的研制提供新的技術(shù)途徑，但由于采用異質(zhì)外延導(dǎo)致位錯(cuò)密度較高。
2018年，西安交通大學(xué)王宏興教授團(tuán)隊(duì)英寸級單晶金剛石襯底及其關(guān)鍵設(shè)備的產(chǎn)業(yè)化，采用等晶面及鑲嵌拼湊融合的方法形成一套大面積單晶金剛石生長的工藝規(guī)范，可生產(chǎn)1英寸（25.4х25.4mm）以上單晶金剛石襯底及薄膜產(chǎn)品。 獲得采用克隆技術(shù)量產(chǎn)大面積單晶金剛石的整體技術(shù)。
2021年1月11日，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的韓杰才院士團(tuán)隊(duì)，與香港城市大學(xué)、麻省理工學(xué)院等單位合作，在金剛石單晶領(lǐng)域取得重大科研突破。該項(xiàng)研究成果現(xiàn)已通過 “微納金剛石單晶的超大均勻拉伸彈性”為題在線發(fā)表于國際著名學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》。這項(xiàng)研究首次通過納米力學(xué)新方法，通過超大均勻的彈性應(yīng)變調(diào)控，從根本上改變金剛石的能帶結(jié)構(gòu)，為實(shí)現(xiàn)下一代金剛石基微電子芯片提供了一種全新的方法，為彈性應(yīng)變工程及單晶金剛石器件的應(yīng)用提供基礎(chǔ)性和顛覆性解決方案。
但理論上講，金剛石無論是力學(xué)、學(xué)還是導(dǎo)電性都具有極高的價(jià)值，金剛石制作的芯片也比硅芯片更強(qiáng)、更耐抗，即使在高溫情況下也可以保持其半導(dǎo)體能力。但在迄今為止的幾乎所有實(shí)驗(yàn)中，金剛石結(jié)晶始終保持其獨(dú)立性，無法對電流產(chǎn)生有效影響，因此目前也幾乎無法在電子工業(yè)方面得到應(yīng)用。
要想突破金剛石半導(dǎo)體技術(shù)瓶頸，金剛石材料制備技術(shù)的提升是金剛石電子器件性能提升的推動(dòng)力。如果能夠解決大尺寸高質(zhì)量單晶制備及高平整度、高均勻性材料外延技術(shù)等瓶頸問題，實(shí)現(xiàn)更高功率性能的金剛石電子器件指日可待！
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我國在碳基半導(dǎo)體研究的另辟蹊徑，有望打破幾十年的硅基技術(shù)跟隨。在以美國為首的高科技封堵大幕正悄悄拉開。但技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)完善不是一蹴而就的。碳基半導(dǎo)體和硅基半導(dǎo)體材料在性能和成本等不同角度擁有各自的優(yōu)勢，未來碳基即使能打破硅基半導(dǎo)體完全壟斷的局面，碳基與硅基也仍將維持長時(shí)間共存和互補(bǔ)式發(fā)展的狀態(tài)。
碳基半導(dǎo)體是產(chǎn)業(yè)發(fā)展注定是一項(xiàng)長期而艱巨的任務(wù)。雖然目前碳基半導(dǎo)體材料在材料制備技術(shù)和性能方面有著極大的進(jìn)展，但其產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用方向卻十分模糊。半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)眾多，除材料制備外，還需要設(shè)計(jì)、制造、封裝等眾多工具和環(huán)節(jié)配合，形成生態(tài)鏈。這就需要產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界共同努力，探索碳基半導(dǎo)體材料未來產(chǎn)業(yè)實(shí)際需求與重點(diǎn)應(yīng)用方向，推動(dòng)我國半導(dǎo)體技術(shù)與產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。
I.碳基半導(dǎo)體材料與期間產(chǎn)業(yè)發(fā)展論壇
2021年5月21-23日 中國·寧波
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