石墨烯对比碳纳米管材料

石墨烯对比碳纳米管材料

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

碳纳米管半导体器件的研究进展：

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。

但是，碳纳米管也有限制，人工制造的碳纳米管是金属特性和半导体特性的混合体．这2种属性的碳纳米管相互“粘连”成绳索状或束状，使得碳纳米管的用途大打折扣，因为只有半导体特性的纳米管才有晶体管性能。现有的制备方法生产出的碳纳米管均为各种手性和不同管径的混合，手性和管径的不同，直接导致导电性质的不同，这使得碳纳米管在大部分实际应用存在许多困难。

彭练矛教授在接受采访时透露，目前IBM在碳纳米管研究方向上采用的是掺杂制备方法，而彭练矛与张志勇课题组采用的是无掺杂制备方法，这是全球首创的，他们课题组经过10多年的研究，开发出无掺杂制备方法，研制的10纳米碳纳米管顶栅CMOS场效应晶体管，其p型和n型器件在更低工作电压(0.4V)下，性能均超过了目前最好的、在更高工作电压(0.7V)下工作的硅基CMOS晶体管。现在，他们又克服了尺寸缩小的工艺限制，成功开发出5纳米栅长碳纳米晶体管，其性能接近了由量子力学原理决定的理论极限。

石墨烯场效应晶体管的研究现状和进展

石墨烯是一种二维碳结构材料，因为其具有零禁带特性，即使在室温下载流子在石墨烯中的平均自由程和相干长度也可为微米级，所以是一种性能优异的导电材料。石墨烯场效应器件最重要的挑战之一是如何增加带隙，而又不降低它非常高的迁移率。

石墨烯晶体管与传统的硅半导体晶体管相比，有以下特点：

(1)在电场的调控下，石墨烯中的载流子类型能够在电子和空穴间连续变化，具有双极型导电性。因此GFET无法像传统半导体晶体管那样被有效地关闭,不适于作逻镇器件。但采取一些新型的结构也能得到基于石墨締的高开关电流此的器件；

(2)石墨烯的载流子迁移率很高，而且可W被电场调控，在高频领域，尤其在射频(RF)领域中有很大的应用潜力。

(3)石墨稀本身为二维材料，有利于缩小电路尺寸和电路的集成。CVD制备的石墨烯可被转移到任意衬底上，有利于制备石墨烯与其他材料的异质结，研究新的物理现象和新的电子器件。

石墨烯优于碳纳米管的是，在制造碳纳米管的工艺中，会生成金属和半导体材料的碳纳米管混合物，在制作复杂电路时，碳纳米管必须经过仔细筛选和定位，目前还没有开发出非常好的方法，而这对石墨烯而言则要容易得多。这种独特的电性能使石墨烯作为一种替代材料在许多新的领域得到应用。

高电子/空穴迁移率和对称的能带结构使得石墨烯非常适合制作高频晶体管，虽然石墨烯导电能力极佳，但它缺乏能隙，即石墨烯中没有“电子态无法存在的禁带”的能量范围，限制了它作为开关器件方面的应用，而石墨烯纳米带(GNR)可以打开石墨烯的能隙，因此，类半导体的ＧＮＲ引起了人们的极大关注，激发科学家研制全石墨烯电路的广泛兴趣。