碳纳米管集成电路的优势与发展现状及其与石墨烯的对比

　　2005年，国际半导体技术线路图（ITRS）委员会首次明确指出在2020年前后硅基CMOS技术将达到其性能极限。后摩尔时代的集成电路技术的研究变得日趋急迫，很多人认为微电子工业在走到7纳米技术节点之后可能不得不面临放弃继续使用硅材料作为晶体管导电沟道。在为数不多的可能替代材料中，碳基纳米材料被公认为最有可能替代硅材料。

　　2008年ITRS新兴研究材料和新兴研究器件工作组在考察了所有可能的硅基CMOS替代技术之后，明确向半导体行业推荐重点研究碳基电子学，作为未来5~10年显现商业价值的下一代电子技术。美国国家科学基金委员会（NSF）十余年来除了在美国国家纳米技术计划中继续对碳纳米材料和相关器件给予重点支持外，在2008年还专门启动了“超过摩尔定律的科学与工程项目”，其中碳基电子学研究被列为重中之重。其后美国不断加大对碳基电子学研究的投入，美国国家纳米计划从2010年开始将“2020年后的纳米电子学”设置为3个重中之重的成名计划（signatureinitiatives）之一。除美国外，欧盟和其他各国政府也高度重视碳纳米材料和相关电子学的研究和开发应用，布局和继续抢占信息技术核心领域的制高点。

　　碳纳米管材料中，最有可能替代硅的有两个，碳纳米管和石墨烯。在石墨烯获得诺贝尔奖之前，碳纳米管一直被认为是最有可能代替硅的半导体材料，而如今，由于石墨烯在全球范围内的狂热，似乎有代替碳纳米管之势，那么，石墨烯和碳纳米管，究竟谁能堪当大任呢？

　　碳纳米管集成电路的研发优势与发展现状

　　1991年，日本NEC公司的饭岛澄男在高分辨透射电子显微镜下检验石墨电弧设备中产生的球状碳分子时，意外发现了由碳分子组成的管状同轴纳米管，也就是现在被称作的碳纳米管CNT，又名巴基管。

　　碳管材料具有极为优秀的电学特性。室温下碳管的n型和p型载流子（电子和空穴）迁移率对称，均可以达到10000cm2/（V？s）以上，远超传统半导体材料。另外碳管的直径仅有1～3nm，更容易被栅极电压非常有效开启和关断。

　　碳纳米管相对于硅材料的优点：

　　1）载流子输运是一维的。这意味着减少了对载流子散射的相空间，开辟了弹道输运的可能性。相应地，功耗低。

　　2）所有碳原子的化学键都是链接的，由此，没有必要进行化学钝化工艺以消除类似存在于硅表面的悬挂键。这意味着碳纳米管电子不一定非得使用二氧化硅绝缘体，高介电常数和晶体绝缘体都可以直接使用。

　　3）强共价键结构能使碳纳米管具有较高的机械稳定性和热稳定性，且对电迁移有很好的抵抗力，可以承受的电流密度高达１０Ａ/ｃｍ。

　　4）它们的关键尺寸，即直径，是由化学反应控制，而不是传统的制造工艺。

　　5）原则上，无论是有源器件（晶体管）还是互连联结线，都可以分别由半导体属性和金属属性的碳纳米管制成。

　　斯坦福大学研究组采用如（a）所示的碳纳米管阵列制备出了如（b）所示的世界上第一个碳纳米管计算机;（c）主要功能单元的扫描电子显微镜像