彭练矛院士团队实现碳纳米管重大突破，为碳基集成电路发展开辟新路径

彭练矛院士团队实现碳纳米管重大突破，为碳基集成电路发展开辟新路径

随着传统硅基集成电路技术接近物理极限，探索新的半导体材料成为全球科研的重点。其中，碳纳米管（CNTs）凭借其高电子迁移率、低功耗以及极小的几何尺寸，被认为是下一代纳电子器件的重要候选材料。然而，在碳纳米管晶体管（CNT-FETs）的制造过程中，短沟道效应、碳管堆叠以及器件一致性等问题仍然是限制其性能和大规模应用的关键障碍。

近日，北京大学彭练矛院士团队提出了一种新型的制造工艺，有效改善了碳纳米管在短沟道晶体管中的栅极控制能力，并显著降低了亚阈值摆幅，提升了器件的开关特性，为碳基集成电路（CNT-ICs）的发展提供了新思路。

碳纳米管晶体管

碳纳米管晶体管相较于传统硅基晶体管，具有更高的开关比、更低的功耗以及更好的尺寸可扩展性。然而，尽管近年来在高纯度半导体碳纳米管制备、高密度取向阵列构建等方面取得了重要进展，CNT-FETs仍面临诸多挑战。

短沟道效应是影响器件性能的重要因素。当沟道长度缩短至30nm以下，传统碳纳米管场效应晶体管的关闭状态性能急剧下降，亚阈值摆幅通常超过150 mV/dec，导致器件的泄漏电流增加。更重要的是，碳管在制造过程中容易发生堆叠，削弱栅极的电场控制能力，从而影响器件的一致性和开关性能。此外，目前的碳纳米管晶体管制造工艺与主流CMOS工艺兼容性较差，难以直接集成到现有的半导体生产线中。

彭练矛院士团队提出的自锚定工艺（SAP），通过在清洗和光刻过程中引入钇氧化物（YOx）作为牺牲层，并在源-漏电极制作过程中进行锚定处理，成功抑制了碳纳米管的堆叠问题。实验结果显示，该方法制造的20nm栅长的CNT-FETs，其SS值低至81 mV/dec，开关比达到10^6数量级，且跨导（Gm）达到了1.8 mS/μm，表现出当前最优的短沟道器件性能。

*碳纳米管晶体管的突破性进展为碳基集成电路的发展奠定了基础。近年来，多个国际研究团队在这一领域取得了重要进展。

2020年，彭练矛院士团队首次制备出达到大规模碳基集成电路所需的高纯、高密碳纳米管阵列材料，并采用这种材料首先实现了性能超越硅基集成电路的碳纳米管集成电路，电路频率超过8千兆赫兹，跻身国际领跑行列。经过20年的持续努力，研发出整套碳基芯片技术，首次制备出性能接近理论极限、栅长仅5纳米的碳纳米管晶体管，实现了“从0到1”的突破，为中国芯片技术的发展开辟了新天地。

此外，上海理工大学的碳基功能材料团队在碳纳米管的合成与应用方面也取得了系列研究进展，为碳基电子器件的实际应用提供了技术支持。

在国际方面，2013年，斯坦福大学成功研制了全球首台完全由碳纳米管组成的计算机“Cedric”。该计算机由178个晶体管组成，每个晶体管包含10至200个碳纳米管，整体包含约20亿个碳原子，展示了碳纳米管在构建高性能电子器件方面的巨大潜力。2019年，麻省理工学院的研究人员利用碳纳米管晶体管，成功研制出基于RISC-V指令集的16位微处理器“RV16X-NANO”。该微处理器包含超过14,000个晶体管。

*在应用方面，碳纳米管由于其优异的导电性和机械性能，已在场效应晶体管、传感器、柔性电子器件等领域展现出广阔的应用前景。国内外多家企业正积极推进碳纳米管在电子器件中的应用，力求实现产业化突破。

在高性能计算领域，碳纳米管晶体管的高迁移率和低功耗特性使其成为未来超低功耗处理器的理想候选者。美国国防高级研究计划局正在资助多个碳基计算芯片项目，其中包括高效能计算和神经网络处理单元的开发。

在柔性电子方面，CNT-ICs凭借其卓越的机械柔性，已被应用于可穿戴设备、电子皮肤和智能传感器。例如，三星电子正在探索碳基电子元件用于可折叠屏幕和生物医疗传感器的可行性。

在航空航天领域，NASA正在研究耐高温、抗辐射的碳基电子器件，以用于深空探测任务。由于碳纳米管材料的耐受性远超传统硅基材料，这些器件能够在极端环境下工作，提高航天器的电子系统稳定性。

尽管碳纳米管晶体管和碳基集成电路已取得诸多进展，但要实现商业化应用仍需克服许多挑战。首先，制造工艺仍需进一步优化。目前，高密度碳纳米管阵列的制备仍存在选择性沉积和对齐精度的问题，需要开发更高效的制造方法，以提升器件一致性和大规模生产能力。同时，低接触电阻的金属/碳纳米管界面仍是影响器件功耗的关键，研究人员正在探索新型电极材料，以提高载流子注入效率。

在电路设计方面，CNT-ICs仍然缺乏完整的设计工具链。未来需要发展针对碳基电子器件的EDA软件，以优化逻辑电路的设计，并推动其在高性能计算、柔性电子和航空航天等领域的应用。

碳纳米管晶体管作为下一代半导体器件的有力竞争者，在材料、器件结构、制造工艺等方面持续取得突破。Lv等人提出的SAP工艺，有效抑制了短沟道效应和碳管堆叠问题，为高性能碳基集成电路的发展奠定了基础。未来，随着制造技术的不断优化，碳基电子器件有望加速新一代电子器件的发展进程，并在多个领域发挥关键作用。

参考文献：https:///10.1021/acsnano.4c17376

碳基半导体（包括金刚石、碳化硅、石墨烯和碳纳米管等）因其超宽禁带、高热导率、高载流子迁移率以及优异的化学稳定性等卓越的特性，正在成为解决传统硅基半导体材料逐渐逼近物理极限问题的关键途径。在人工智能、5G/6G通信、新能源汽车等迅猛发展的新兴产业领域表现出广阔的应用前景。尤其是在当前不确定的国际局势和贸易环境背景下，碳基半导体战略意义凸显，成为多国布局的重要赛道。