一、概述
传统的硅基半导体技术正临近发展极限，信息产业即将面对重要历史转折点，这也是中国信息产业界前所未有的机遇。伴随着可移动智能设备、云存储和大数据处理的广泛应用，迅速发展的信息产业对未来的半导体芯片和信息处理技术提出了前所未有的要求。为了延续摩尔定律，持续提升芯片性能，需要发展速度更快、能耗更低的半导体芯片；为了拓展正在快速崛起的可移动智能设备市场，同样需要研制具备柔性、透明和生物可兼容等特性的新型芯片。作为指导半导体产业发展的重要组织，国际半导体技术发展路线图委员会（ITRS）预测传统的硅基半导体技术将在2020年附近达到芯片性能的物理学极限。作为半导体产业界的顶级设计与制造商，美国Intel公司也宣布了将在7nm技术节点上放弃传统硅工艺。这将是信息产业发展历史中的重要转折点。人类不得不放弃一直作为信息产业基石的传统硅材料，转而寻求具有更高性能和更低能耗的非硅基替代材料，这将从根本上改变未来的半导体芯片和整个信息产业的发展。当前中国经济发展对进口芯片的依赖非常大。仅2014年中国就进口了超过2 300亿美元的半导体芯片，超过了当年中国进口石油量的规模。传统硅基半导体技术将在2020年面临重要的转折点，对于中国而言，这是一个在信息产业上摆脱发达国家控制并实现赶超的巨大机遇。
在众多具有可能性的备选者中，碳基纳米材料，特别是碳纳米管材料，被认为是最有希望在2020年之后取代硅延续摩尔定律的半导体材料之一，并且已经投入了大量资金进行相关产业研发。碳纳米管材料具有独特的电学、力学和光学特性，尤其是高迁移率、纳米尺寸、柔性、通透性和生物可兼容性等与传统硅基材料和其他纳米材料相比独一无二的特性，能够满足未来信息产业对高性能、低功耗和各种功能化的需求。碳纳米管自1991年被首次观测以来，一直受到学术界和产业界的广泛关注，相关电子学器件和集成电路的研究也不断深入。尤其是近年来，对碳基纳米材料的研究正逐渐从基础研究转向产业研发。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10 000cm2/（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。碳纳米管的这些优异特性保证了碳基集成电路的高性能和高效能源利用率。碳基纳米材料已经在全世界范围内受到了广泛而持续的关注，美国、欧盟等发达国家的政府机构和大型公司都已经投入大量资金进行相关的产业研发。
2008年ITRS以研究报告的形式，明确地向半导体产业界推荐未来的研究重点应聚焦于碳基电子学，并表示新一代碳基半导体技术将在5～10年内显现出巨大的商业价值。该研究报告极大地影响了各国半导体产业发展战略的制定。美国国家科学基金会（NSF）于2008年启动了“摩尔定律之后的科学与工程”项目，美国国家纳米计划（NNI）也于2011年启动了“2020年之后的纳米电子学”专项，仅通过这2个项目美国联邦政府就在非硅基纳米电子学方向每年资助额度超过了2亿美元。美国IBM公司于2014年宣布将投资30亿美元用以开发未来半导体芯片技术（见图1），特别是碳基集成电路技术。超乎寻常的资金投入和迅猛发展的研发速度充分显示了美国等发达国家继续占据信息产业核心制高点的决心。
二、碳基集成电路研究进展
近年来，基于碳纳米管的碳基电子学研究取得了飞速发展，并逐渐从基础研究转向实际应用。得益于材料自身的优良性质和世界范围的政策和资金支持，研发人员在碳纳米管的器件物理、器件制备、集成方法等方面都取得了相当的成就，达到了其他纳米材料从未达到过的高度。研究进展表明碳基电子学器件相比传统硅基器件具有5～10倍的速度和能耗优势，可以实现5nm以下的半导体技术节点，满足2020年之后新型半导体芯片的发展需求。研发人员已经实现了具有各种功能的基础逻辑单元，原则上就可以利用这些逻辑单元制备出具有极高复杂程度的碳基集成电路。
《自然》杂志于2013年发表了美国斯坦福大学的研究人员采用178个碳纳米管晶体管制造出的的计算机原型。《MIT技术评论》于2014年报道了美国IBM公司表示将在2020年之前利用碳纳米管制备出比现有芯片快5倍的半导体芯片。美国IBM公司于相关媒体发表的结果表明，基于碳纳米管的半导体芯片在性能和能耗方面都比传统硅基芯片有显著改善：硅基半导体技术从7nm缩减到5nm节点，相应的芯片性能大约有20%的增加，而7纳米技术节点下的碳基半导体技术比硅基7nm的性能提高300%，相当15代硅基技术的改善。这些进展使半导体产业界看到了碳基电子学时代的曙光，有望将性能持续提高的摩尔定律延续到2050年。
在碳基纳米器件和集成电路方面，北京大学的研发团队在国际上起步较早，拥有一整套研发人员构成，并且已经解决了一系列碳基晶体管和集成电路的关键性问题，在相关研究领域处于引领国际最前沿进展的位置，具备开展碳基集成电路研发和产业化应用的前期基础。研究人员实现了碳纳米管的理想n型欧姆接触和弹道场效应晶体管。纳米尺度的金属/半导体接触是纳米电子器件研究中最为重要的问题之一，实现好的接触也是最终实现高性能电子器件的必要条件。
虽然半导体碳纳米管是构筑场效应晶体管的理想通道材料，但缺乏理想的n型欧姆接触阻碍了碳纳米管互补型金属-氧化物-半导体（CMOS）集成电路技术的发展。2005年，美国Intel公司因当时无法实现高性能的碳纳米管n型器件，而放弃了碳基纳米器件的研发。研发人员在系统地研究各种金属与碳纳米管接触性质的基础上，发现金属钪和钇可以和碳纳米管形成完美的n型欧姆接触。金属钪和钇不仅具有低的功函数，其费米能级深入到碳纳米管导带，而且可以与碳纳米管形成良好的浸润，保证了两者可以与碳纳米管形成对电子无势垒的欧姆接触。在此基础上，研究人员通过缩减沟道长度，首次制备出了碳纳米管n型弹道晶体管，使得碳纳米管n型器件的性能趋近于理论极限，在速度和功耗上达到了和p型器件相当的水平，超过了同等尺度的硅基n型器件。进一步的实验表明，碳纳米管晶体管可以将沟道尺寸缩减到5nm尺度下，并且仍然保持对硅基晶体管的性能优势（见图2）。
北京大学的研究人员找到了一种与碳基纳米材料完全兼容的理想高κ栅介质。高质量栅介质的制备是实现高性能场效应晶体管的必要条件。随着晶体管横向尺寸的缩减，为了保持栅电极对沟道的控制，避免出现短沟道效应，需要不断缩减栅介质的厚度。对于碳纳米管场效应晶体管，超薄且高质量的栅介质至关重要。碳基纳米材料的表面由饱和的sp2杂化的π键构成，无悬挂的活性化学键，这导致原子层沉积过程中材料表面无法提供栅介质生长过程必要的成核中心。缺乏与碳纳米材料兼容的高κ栅介质层，阻碍了高性能碳基纳米电子学的发展。研究人员观测到金属钇可以与碳纳米管表面形成完美的浸润形态，并在此基础上发展了一种在碳基纳米材料上利用热氧化的方法制备出高性能氧化钇高κ栅介质的工艺。利用这种方法可以制备等效氧化层厚度（EOT）达1.5nm的高效率栅介质层，达到室温下器件性能的极限，得益于氧化钇与碳管间完美的接触介面，碳管晶体管的阈值电压可以降低到0V附近，相应电路的工作电压可以降至0.2V。而且在沟道长度缩减为50nm尺度下时，仍能保持良好的栅调控能力。
基于碳纳米管带隙小、无界面态的特点，研究人员发展了高性能碳纳米管CMOS器件和集成电路的无掺杂制备技术。传统半导体CMOS技术是通过掺杂来实现对半导体沟道导电类型的控制。但随着器件特征尺寸减小，器件沟道中杂质数目的下降，量子涨落会明显增加，导致纳米器件性能和均一性变差。
研究人员通过选择接触电极控制注入半导体碳纳米管的载流子类型，据此发展了一种无掺杂的碳纳米管CMOS器件制备技术，抛弃了传统掺杂的方法，直接采用接触电极控制器件的极性。在碳纳米管上同时实现了碳纳米管的p型和n型欧姆接触，制备出了高性能的互补型器件和相关CMOS电路。得益于碳纳米管独一无二、对称的导带和价带结构，在半导体工业上研究人员首次实现了对称的n型和p型器件，其主要性能，包括跨导、饱和电流、开态电导、亚阈值斜率等重要参数几乎完全相同，电子和空穴的迁移率均超过3 000cm2/（V·s）。研究人员还在碳纳米管电路设计、碳纳米管集成电路在规模和性能方面的优势和潜力等方面进行探索，找到了能够充分发挥碳纳米管器件特性的电路构建方式：传输晶体管逻辑（PTL），极大提升了单个晶体管的逻辑效率，简化了集成电路的设计方式。采用无掺杂技术制备碳纳米管顶栅CMOS器件，通过控制金属栅电极的功函数，将n型和p型器件的阈值电压精确地控制在0V附近，有效地减小了传统PTL电路中无法避免的阈值电压导致的电压损失，首次实现了碳纳米管PTL电路。在单根碳纳米管上制备出与、或、异或等基本逻辑门电路，更加复杂的全加器、全减器等算术运算单元、编码/译码电路等控制电路、D-latch等时序电路以及双向总线电路，使得碳纳米管集成电路的规模和功能直接面向CPU中的核心部件—算术逻辑单元。
高性能碳纳米管晶体管在大气环境中实际工作的稳定性和可靠性也得到了验证。实际工作的半导体芯片需要在各种环境中稳定可靠的工作，而碳纳米管芯片的制备构成中使用了具有较低功函数的金属钪或钇，因而产生了对碳管晶体管在大气中能够稳定和可靠工作的质疑。通过系统性地研究大气环境中的碳纳米管晶体管的行为演化，研究人员发现了大气中的氧和水分子对碳管晶体管短期可逆和长期不可逆的性能衰减影响，并且展示了性能衰减先随时间快速发展，然后趋于饱和的过程。通过在晶体管敏感区域表面覆盖氧化铝钝化层，可以隔绝氧和水分子对碳管晶体管的影响。钝化后碳管晶体管的器件性能与钝化前保持一致，并且不受测试环境改变的影响。钝化后的碳管晶体管器件可以承受较大电学压力下的可靠性测试，能够以超过10μA的工作电流在大气环境中长时间工作超过10h。实验结果验证了高性能碳纳米管晶体管在大气环境中的可靠性和稳定性。
传统的硅基材料是间接带隙半导体，无法制备高性能的电致发光器件。作为一种直接带隙的半导体材料，碳纳米管具有优异的光电性能，可以同时实现电致发光器件和光电器件。在碳纳米管的两端分别采用钪和钯作为接触电极，使电子和空穴在被注入到碳纳米管中时可以或面临零势垒（正偏压条件）或面临接近碳纳米管能隙的很大势垒（负偏压条件），从而实现高性能二极管。正偏压条件下，电子和空穴被高效注入碳纳米管后可以形成激子并复合，实现真正意义上的碳纳米管红外激子发光二极管，光谱半峰宽只有40meV左右，接近室温理论极限。碳纳米管二极管在光照射下可以激发出电子和空穴对，并在内建电场中被分开，从而实现高效率的纳米光电二极管。但是单个二极管实现的光伏电压较小，不具备实用价值。研究人员创造性地发展了碳纳米管级联电池（虚电极）技术，通过在一根10μm长的碳纳米管上引入4对虚电极，实验上演示了光电压的5倍增效果，使之超过了1V实际应用水平，研究成果表明在一根碳纳米管上可以简单地通过选用对称电极实现CMOS器件，构建集成电路，通过非对称电极（例如两端分别由非对称的n型和p型电极连接的碳纳米管）即可实现红外纳米光源和光探测器，并可以通过虚电极的引入增加光电压和探测效率。纳米CMOS器件和光电器件在这个无掺杂集成工艺中自然地结合了起来，有望为纳米电子和光电子电路的开发提供一个统一的平台，而电子和光电子器件的集成，特别是光通讯电路与高性能电子电路的集成有望极大地提高计算机系统的能力，为后摩尔时代的电子学带来新一轮的繁荣（见图3）。
三、展望
作为后摩尔定律时代最具希望的半导体材料候选者，碳纳米管已经在材料、器件和电路领域取得了巨大的进展。研究人员通过研究与优化接触电极、栅介质材料和晶体管结构，已经将单个的碳纳米管晶体管器件推进到理论上的性能极限，并以之构建了一系列的基本逻辑单元。随着传统硅基半导体技术的日渐终结，信息产业正面临着其发展历史中最重要的转折点。
对于中国而言，这是一个可能实现“弯道超车”、摆脱发达国家半导体芯片控制的巨大机遇。经过北京大学科研团队多年来持之以恒的研发，碳纳米管集成电路在产业化进程中的大部分障碍已经得到了解决，处在引领国际潮流的地位。在北京市科委的大力扶持和指导下，北京大学科研团队已经建立了目标明确，时间节点清晰的碳纳米管集成电路路线图规划。将在2～3年时间内展示出碳纳米管制备规模化、高性能、低能耗芯片的能力，并在2020年构建高性能的碳纳米管CPU。这一目标的达成，需要国内、外各高校和企业研究团体的通力协作，也需要政府、企业持续的关注、指导与支持。随着2020年时间节点的愈发临近，国际上各研究组的竞争也愈发激烈，究竟谁能成为后摩尔时代的又一个“Intel”公司？也许在数年之内就能揭晓。
参考文献
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