碳納米管集成電路的優(yōu)勢(shì)與發(fā)展現(xiàn)狀及其與石墨烯的對(duì)比

　　2005年，國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)線路圖（ITRS）委員會(huì)首次明確指出在2020年前后硅基CMOS技術(shù)將達(dá)到其性能極限。后摩爾時(shí)代的集成電路技術(shù)的研究變得日趨急迫，很多人認(rèn)為微電子工業(yè)在走到7納米技術(shù)節(jié)點(diǎn)之后可能不得不面臨放棄繼續(xù)使用硅材料作為晶體管導(dǎo)電溝道。在為數(shù)不多的可能替代材料中，碳基納米材料被公認(rèn)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(shù)之后，明確向半導(dǎo)體行業(yè)推薦重點(diǎn)研究碳基電子學(xué)，作為未來(lái)5~10年顯現(xiàn)商業(yè)價(jià)值的下一代電子技術(shù)。美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金委員會(huì)（NSF）十余年來(lái)除了在美國(guó)國(guó)家納米技術(shù)計(jì)劃中繼續(xù)對(duì)碳納米材料和相關(guān)器件給予重點(diǎn)支持外，在2008年還專門啟動(dòng)了“超過(guò)摩爾定律的科學(xué)與工程項(xiàng)目”，其中碳基電子學(xué)研究被列為重中之重。其后美國(guó)不斷加大對(duì)碳基電子學(xué)研究的投入，美國(guó)國(guó)家納米計(jì)劃從2010年開(kāi)始將“2020年后的納米電子學(xué)”設(shè)置為3個(gè)重中之重的成名計(jì)劃（signatureinitiatives）之一。除美國(guó)外，歐盟和其他各國(guó)政府也高度重視碳納米材料和相關(guān)電子學(xué)的研究和開(kāi)發(fā)應(yīng)用，布局和繼續(xù)搶占信息技術(shù)核心領(lǐng)域的制高點(diǎn)。

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

　　碳納米管集成電路的研發(fā)優(yōu)勢(shì)與發(fā)展現(xiàn)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(yàn)石墨電弧設(shè)備中產(chǎn)生的球狀碳分子時(shí)，意外發(fā)現(xiàn)了由碳分子組成的管狀同軸納米管，也就是現(xiàn)在被稱作的碳納米管CNT，又名巴基管。

　　碳管材料具有極為優(yōu)秀的電學(xué)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(duì)稱，均可以達(dá)到10000cm2/（V？s）以上，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料。另外碳管的直徑僅有1～3nm，更容易被柵極電壓非常有效開(kāi)啟和關(guān)斷。

　　碳納米管相對(duì)于硅材料的優(yōu)點(diǎn)：

　　1）載流子輸運(yùn)是一維的。這意味著減少了對(duì)載流子散射的相空間，開(kāi)辟了彈道輸運(yùn)的可能性。相應(yīng)地，功耗低。

　　2）所有碳原子的化學(xué)鍵都是鏈接的，由此，沒(méi)有必要進(jìn)行化學(xué)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(shù)和晶體絕緣體都可以直接使用。

　　3）強(qiáng)共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)能使碳納米管具有較高的機(jī)械穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，且對(duì)電遷移有很好的抵抗力，可以承受的電流密度高達(dá)１０Ａ/ｃｍ。

　　4）它們的關(guān)鍵尺寸，即直徑，是由化學(xué)反應(yīng)控制，而不是傳統(tǒng)的制造工藝。

　　5）原則上，無(wú)論是有源器件（晶體管）還是互連聯(lián)結(jié)線，都可以分別由半導(dǎo)體屬性和金屬屬性的碳納米管制成。

　　斯坦福大學(xué)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(gè)碳納米管計(jì)算機(jī);（c）主要功能單元的掃描電子顯微鏡像