国内外碳纳米管材料、器件及电路技术的最新进展

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随着半导体技术的发展，碳纳米管是最有希望得到发展的新兴半导体材料之一。

介绍了近两年国内外碳纳米管技术在材料、器件和电路方面的研究进展，重点阐述了实现米级突破的碳纳米管材料合成技术、高密度高纯度CNT阵列、栅长达5纳米的CNT晶体管以及CNT三维集成电路等。

所有这些
成果都为CNT器件和电路技术及其规模集成的实用化发展奠定坚实的基础。

最后分析了CNT技术实用化需要突破的关键技术，对国际上CNT材料和器件的发展进行了展望。

引言：长期以来，整个硅半导体产业遵循摩尔定律，不断缩小晶体管尺寸以提升其性能。

硅基互补金属氧化物半导体（CMOS）集成电路技术在硅谷等地的奇迹般发展造就了包括英特尔在内的众多顶级高科技公司，为美国近40 年的经济繁荣做出了不可磨灭的功绩。

然而目前硅基CMOS技术即将进入5纳米技术节点，并将很快达到其性能极限，即硅材料晶体管的尺寸将无法再缩小，芯片的性能提升已经接近其物理极限。

在此背景下，人们一直在寻找能够补充硅且能提高芯片性能的材料。

在为数不多的几种可能材料中，碳基材料包括碳纳米管（CNT）、石墨烯和金刚石是最有希望发展的半导体材料。

CNT具有重量轻、体积小、尺寸小（1～3纳米）、迁移率高的特点，拥有许多异常的力学、电学和光学性能，被认为是理想的器件材料，可解决硅材料的特征尺寸不断接近极限所面临的一系列问题。

而且，CNT韧性极高，可以承受弯曲、拉伸等应力，电信号传输过程的延迟很短，且在漏电和发热问题方面比硅芯片能效高，易于实现片上三维集成，因此CNT在电子和光电子器件中被广泛研究。

随着其技术的成熟，CNT极有可能成为未来的颠覆性技术，为未来的光电系统和装备赋予新能力。

1.技术进展
近两年，以北京大学、中国科学院、国际商业机器公司（IBM）和斯坦福大学为代表机构研制的CNT材料、器件和电路的尺寸和性能一次次突破纪录。

材料合成突破了米级尺寸的极限，研制出高密度高纯度CNT阵列，CNT晶体管的栅长已达5纳米，并实现了三维集成电路等，所有这些成果都为CNT器件和电路技术及其规模集成的实用化发展奠定坚实的基础。

1.1 中国科学院实现了米级尺寸碳纳米管的合成并构建了高性能全碳晶体管和集成电路
2018年7月，中国科学院金属研究所提出了一种连续合成、沉积和转移单壁CNT薄膜的技术，实现了米级尺寸高质量单壁CNT薄膜的连续制备，并基于此构建出高性能的全碳薄膜晶体管和集成电路器件。

单壁CNT具有优异的力学、电学和光学性质，在柔性和透明电子器件领域可应用于透明电极材料或半导体沟道材料。

但开发出可高效、宏量制备高质量单壁CNT薄膜的方法已成为该材料走向实际应用的关键瓶颈。

迄今制备的单壁CNT薄膜的尺寸通常为厘米量级，且在制备过程中通常会引入杂质和结构缺陷，致使光电性能劣化，远低于理论预测值。

中科院这次制备的米级尺寸高质量单壁CNT薄膜具有优异的光电性能，在550纳米波长下其透光率为90％，方块电阻为65欧/□。

其利用制备的单壁CNT薄膜构筑了高性能全碳柔性薄膜晶体管以及101阶环形振荡器等柔性全碳集成电路
国
内
外
碳
纳
米
管
材
料
、
器
件
及
电
路
技
术
的
最
新
进
展
中
国
电
子
科
技
集
团
公
司
第
十
三
研
究
所
吴
璇
王
淑
华
（IC）。

该结果为基于单壁CNT薄膜的
大面积、柔性和透明电子器件的未来发
展铺平了道路，明示了单壁CNT薄膜在
大面积、柔性和透明电子器件中的广阔
应用前景。

1.2 北京大学报道了高密度高纯度半导
体碳纳米管阵列问世
2018年1月，北京大学彭练矛和张
志勇团队报道了采用定向收缩转移法制
备出了阵列密度是原始CNT阵列10倍的
高密度、高纯度CNT阵列。

检测显示制
备过程对CNT阵列无损伤，以高密度
CNT阵列制备的场效应晶体管在电学性
能方面表现出了优异的性能。

研究人员采用的定向收缩转移方法
提高了薄膜的均匀性，同时还保持CVD
法生长的CNT阵列的高载流迁移率。

将
该高密度CNT阵列制备成场效应晶体管
进行电学性能测试，获得了载流迁移
率分布约为1591.8×133.6 平方厘米/伏•
秒，开态电流（Ion）和跨导值（Gm）
达150 微安/微米和80微西门子/微米，
Ion/（闭态电流）Ioff值达104的结果，
是目前获得的最高值。

高密度、高纯度
CNT是构建高速和低耗集成电路的理想
材料，但不容易同时实现这两个属性。

这项工作为同时提高CNT密度和纯度
方面提供了一种新的思路，将促进高
性能场效应晶体管（FET）和集成电路
（IC）材料方面进一步发展。

1.3 北京大学研制出5nm碳纳米管并实
现全球首个千兆赫兹碳纳米管集成电路
北大碳基电子学研究中心彭练矛
团队在CNT电子学领域取得了世界级
突破：率先制备出基于碳管的栅长为5
纳米的CMOS器件（2017年1月），并
证明了器件在本征性能和功耗综合指标上相对硅基器件具有10倍以上的综合优势。

课题组采用石墨烯作为CNT晶体管的源漏接触，有效抑制了短沟道效应和源漏直接隧穿，器件亚阈值摆幅达到73毫伏/倍频程。

CNT CMOS晶体管本征门延时达到了0.062皮秒，相当于14纳米硅基CMOS器件的1/3，能耗只有其四分之一。

同年12月，北京大学制作出了世界上首个工作在千兆赫兹频率的CNT集成电路，有力的推动了碳基电子学的发展。

北京大学研制了栅长为120纳米的CNT晶体管，在0.8伏特下的开态电流和跨导分别达到0.55毫安/微米和0.46微西门子/微米，其中跨导为已发表CNT器件的最高值。

并把基于该器件实现得五级环振的振荡频率进一步提升至5.54吉赫兹，比此前发表的最高纪录（IBM公司于2017年8月报道了282兆赫兹的CNT环形振荡器）提升了几乎20倍；而120纳米栅长CNT器件的单级门延时仅为18皮秒，速度已接近同等技术节点的商用硅基CMOS电路。

这项研究工作不仅极大推进了CNT集成电路的发展，更表明基于现有的碳管材料，通过简单工艺已可能实现性能与商用单晶硅基CMOS性能相当的集成电路；如果采用更为理想的材料（例如高密度CNT平行阵
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列）和更高级的加工工艺，则有望推动CNT 技术在速度和功耗等方面全面超过硅基CMOS 技术。

2019年初，北京大学利用N 型CNT 场效应晶体管将CNT CMOS 压控振荡器集成电路的工作频率提高到1.98GHz ，并将之成功应用在无线传感器接口电路中，初步实现了一种节能的无线温度传感接口系统。

总的来说，CMOS 逻辑高速CNT 集成电路具有优异的能量效率，因此有可能促进基于CNT 的电子器件的应用。

1.4 IBM通过采用碳纳米管将晶体管的尺寸缩小至40纳米
早在2017年6月，IBM 研究人员就利用CNT 作为晶体管沟道实现了将晶体管尺寸缩小至40纳米的突破，已实现了国际半导体技术发展路线图（ITRS ）下一个十年计划的技术目标。

研究人员用CNT P 沟道实现了晶体管尺寸的降低，该晶体管大小仅为40平方纳米，仅为领先硅技术晶体管的一半，能够在较低的电压下工作。

将晶体管尺寸缩小到如此小的关键就是利用CNT 替代了硅作为晶体管的沟道。

CNT 的厚度只有1纳米左右，这样的厚度在静电学方面体现出了一个显著的优势，即能够在避免短沟道效应带来的不利影响的同时将器件的栅极长度降低到10纳米。

CNT 的另一个优点在于电子的传播速度更快，有利于提高器件性能。

1.5 斯坦福和麻省理工大学研制出用CNT实现计算和数据存储功能的单片三维集成系统
斯坦福大学和麻省理工学院在2017年7月研制出目前世
界上最复杂的三维纳米计算机系统，集成了超过100万个电阻式随机存取存储器（RRAM ）单元和200万个CNT 场效应晶体管，其中由CNT 做成的逻辑单元比硅基逻辑单元要节能十几倍，且能量效率和运行速度提高了1000倍。

新型芯片与当前的芯片本质不同，它应用多种纳米技术和新的计算机架构。

随机存取存储器和CNT 垂直重合，形成一种紧密的、逻辑层和存储层相互交错、层与层之间存在超密集接线的三维计算机架构，这种三维架构有望突破通信瓶颈。

然而，利用现有硅基技术无法搭建这种架构。

但在设计与制造方面，这种新型芯片与当前硅基结构均可兼容。

目前，研究团队在探索新三维计算机架构的同时提高基础纳米技术能力。

2.结语
目前主流硅CMOS 技术已发展到10纳米以下技术节点，面临着无法继续缩小，传统芯片的性价比提升空间非常小的局面。

预计CNT 技术的出现将为微电子技术的未来发展提供了新思路和新途径。

从理论上讲，在10纳米以下技术节点，采用CNT 的芯片可以比硅基芯片在速度和功耗上有5至10倍的优势，这对于后摩尔时代的集成电路而言具有重大的意义。

在过去的两年中，CNT 一直在研究领域发展势头良好，CNT 材料特性和制备、器件研制和优化、集成电路和系统演示方面都取得长足进展。

由技术进展可见，国外IBM 公司和斯坦福大学分别在CNT 晶体管及系统集成方面有重要进展；国内相继也有了突破性的报道，尤其是在CNT 电子器件相关材料和制备工艺的研究中取得系列突破，已实现亚10纳米 CMOS 器件以及中等规模集成电路。

未来随着CNT 材料有序可控生长的实现，CNT 其他技术的成熟，以及其成本的下降及工艺良品率的提高，该技术有望成为最先进的芯片制造技术。

随着科学技术稳步前行，电子信息产业已成为我国发展的关键点之一，有助于为社会经济转型贡献力量。

我国电子信息工程技术起步较晚，与发达国家依然具有一定差距，但我国的技术水平提升速度位于世界前列，前景十分可观。

电子信息工程技术具有高智能化、网络化等特征，已渗透各个领域，转变群众的生活方式，且有利于实现国家现代化。

本文首先阐述了电子工程技术现状及其特点，然后分析电子信息工程在日常生活、工业生产、航空航天、工程造价、农业机械领域中的应用，最后分析电子信息工程技术在产业链建设、产品创新、加强专业人才队伍建设等方面的发展，以及推动电子信息产业发展。

电子信息工程技术包括计算机技术、信息处理技术等，主要对数据处理、系统开发领域有重大影响。

随着科学技术发展，电
发角度来看，同样有所提高，并在行业纳税总额排名中高居前列。

二、电子信息工程技术的特点
电子信息技术是科学发展的衍生品，同
样是计算机发展的创造物。

从实际应用角度而言，电子信息技术具有高智能化、网络化的特征，打破空间以及时间的束缚，将技术与人员完美结合，实现复杂问题的快速求解。

（一）智能化
人工智能作为二十一世纪的三大技术之一，任何新兴技术要想继续发展均无法离开人工智能技术的渗透。

目前，智能技术已在日常生活中取得诸多成果，例如电子信息技术已实现人类思维仿真，计算机学习人类大脑的思考方式以及相关工作的运行规则，通过大量数据学习，从而获取新能力。

如此以来，极大加快人类的生产效率，而且可自主开发新事物，弥补人类体能缺陷。

（二）网络化
二十一世纪是互联网时代，家家户户均拥有收集和电脑，不必通过面对面交流便能
子信息工程技术无处不在，改变世界运行轨迹，帮助人类朝着更为便利且梦幻的未来前进。

因此，研究电子信息工程技术的应用领域以及未来发展趋势具有深远意义。

一、电子信息工程技术现状
（一）电子信息工程技术的概念
所谓电子信息工程技术，是指结合控制技术、计算机技术等多学科的新兴技术，旨在快速获取所需数据、开发系统等。

目前，电子信息技术随处可见，例如手机、车载音响等，为群众提供更加方便、有趣的生活方式。

（二）电子信息工程技术产业相关现状
二十一世纪以来，电子信息技术发展速度加快，据统计，2018年的电子产业总计收入高达3.5万亿元，同年增幅约1/5,。

从经济效益角度来看，利润增长高达两倍，而从研
浅析电子信息工程技术的应用与发展
黑龙江省科学消费研究会 王 冰。