什么是碳基半导体？

世界范围的信息化浪潮正带来全球网络化、国家数字化、社会智能化的整体转变，5G、人工智能、大数据和云计算等先进技术的诞生和蓬勃发展，以及向生产生活各层面的深度渗透，更加速推动信息时代的快速发展。在世界数字化汹涌前行的背后，是硅基半导体芯片性能的持续飞速提升，提供了存储、运算、网络、智能的多维度底层支撑，为数字升级、智能互联打造了坚实的硬件基础。但随着芯片制造工艺在纳米尺度逐渐逼近物理极限，硅基半导体芯片再继续性能跃迁愈加困难，寻找接替硅基的新型半导体材料延续摩尔定律成为迫切的现实。

研究人员经过长期探索，提出了一系列替换硅材料的方案，主要包括碳纳米管、 石墨烯、碳化硅等，其中最有希望完成硅基替代的是碳纳米管、石墨烯，金刚石也被称为终极半导体。

具体来说，以碳纳米管为代表的碳基纳米材料具备独特的电学、力学和光学特性，同等工艺水平下制作的碳基芯片，在性能和功耗方面都将比硅基芯片有明显改善。与此同时，以金刚石、碳化硅等宽禁带半导体具有更高的禁带宽度、高击穿电压、电导率和热导率，在高温、高压、高功率和高频领域的应用具有极大潜力，已成为军用、民用两大领域必不可少的战略物资，是各国竞相发展的战略制高点，也越来越得到国内外的重视。

这一点，也曾在第386次香山科学会议提到，活动聚焦碳基半导体界面科学与工程，其中提到，以碳材料为主的半导体器件是以共轭小分子/聚合物、石墨烯、富勒烯和碳纳米管材料作为主要工作物质的功能器件，包括有机发光二极管、有机光伏电池等。

事实上，碳基芯片是在20世纪五六十年代被提出来的，当时集成电路发展已经开始提速，所以具有一定功能的电路所需要的晶体管电阻和电容等等，这些就成了当时的核心技术，而要将它们通过连接导线集成在一小块硅片上，然后在焊接封装在管壳内，这个技术是整个研发的强大支柱。

后来为了能够提高芯片的性能，所以人们便按照每18个月就将集成电路上可容纳的晶体管数量翻一番性能也提升一倍的规律来提升单个芯片的晶体管数量，但是这样一来相关的工艺难度也就随之提高了，特别是进入了纳米级别之后，关于材料技术和系统方面的技术物理限制，导致硅基芯片的发展开始出现停滞，这时人们也就开始寻找新的材料来代替硅基芯片，其中碳元素由于它本身的特性非常优越，所以被纳为最佳选择。

目前，作为与硅基半导体器件互补的新型器件，碳基半导体器件目前已形成一个由化学、物理科学、信息电子科学和材料科学等诸多学科相互交叉的新兴研究领域，正在信息显示、固体照明、自动控制、太阳能利用、信息存储等多方面展现出越来越重要的应用前景。特别是以有机发光二极管为基础的新型平板显示和固态光源，已经率先或即将进入应用领域的这一事实，更是向人们展示了碳基半导体器件广阔的发展前景。

集成电路是 20 世纪最伟大的发明之一， 改变了整个世界的发展走向。硅基半导体也迎来了飞速发展的历史时刻，成为整个信息时代的强大支柱。在硅基半导体不断迭代升级的整个过程中，摩尔定律一直起着指路明灯的作用。为提高性能，研究人员不断按照这个规律提高单个芯片上硅晶体管的数量，微芯片技术一次又一次地突破了工艺极限。但是， 随着器件特征尺寸的不断缩小，特别是在进入到纳米尺度范围后，半导体技术发展面临一系列物理限制条件， 既有来自于基本物理规律的限制，也有来自于材料、技术、器件和系统方面的限制。

首先是短沟道效应。当金属氧化物半导体场效应管的导电沟道长度降低到十几纳米、甚至几纳米量级后出现的一系列二级物理效应统称为短沟道效应。这些效应主要包括阈值电压随着沟道长度降低而降低、漏致势垒降低、载流子表面散射、速度饱和、离子化和热电子效应。这些效应会导致电路失效，严重影响芯片性能。其次是强场效应。器件纵横向尺寸缩小，而电源电压并不能以同样比例缩小，使得栅绝缘介质和沟道内场强不断加强，会在器件穿通和热电子等方面产生可靠性问题。

再次是薄氧化层的隧穿效应。 在器件尺寸缩小到 100nm以下时为维持足够的栅控能力，需进一步减小氧化层的厚度，这将导致电子在氧化层中的隧穿 7几率增加，致使栅漏电流增大。

第四是沟道杂原子无序涨落效应。 沟道长度减小到小于 100nm 时，沟道中的电力杂质数目下降到几百到几十个，这时其涨落现象已不可忽略。对于器件沟道内的载流子在100 量级的情况，涨落引起的器件载流子数目变化将达到 10%左右，并使得器件的阈值电压产生相应的起伏，影响电路的正常工作。

最后是功率耗散问题日益严重。集成密度和工作频率的增加，使得芯片单位面积内的功耗急剧增加，降低功耗的增强散热成为集成电路开发的一个重要因素。

另外，针对金刚石半导体则从另一维度作为补充。作为一种宽带隙半导体材料，金刚石集力学、电学、热学、声学、光学、耐蚀等优异性能于一身，是目前最有发展前途的第三代半导体材料之一，在高温大功率电力电子器件、微波功率 器件、深紫外光和高能粒子探测器、深紫外发光器件、单光子光源、生物和化学传感器、微机电（ MEMS ）和纳机电（ NEMS ）器件、自旋电子学等众多领域有着极大的应用潜力。

高功率电力电子器件

金刚石半导体材料的禁带宽度达5.47 eV，热导率是已知元素半导体材料中最高的，因而可以满足未来大功率、强电场和抗辐射等方面的需求，是制作功率半导体器件的理想材料。

深紫外探测器、高能粒子探测器

在深紫外光电子领域，由于金刚石的大禁带宽度、高温工作、耐辐照特性，在应用于极端条件下的深紫外探测器、高能粒子探测器等方面有着先天性的优势。也是基于上述的原因，而且在工艺上可以避开尚未解决的金刚石掺杂问题，所以金刚石探测器是目前比较成熟的、已经实现产品化的唯一半导体金刚石器件有关的产品种类。

衬底材料

金刚石还可以作为GaN功率器件的衬底，以帮助其散热，实现更高频率和更高功率。从2008年开始，欧盟投入资金推动化学气相沉积方法（CVD）在GaN器件背面生长金刚石。随后美国国防部高级研究计划局、海军研究办公室等投入大量资金，联合大学（英国布里斯托大学、美国佐治亚理工、斯坦福等）、半导体公司（元素六、雷神、Qorvo、Lockheed Martin、Northrop Grumman等）大力推动金刚石基GaN器件的发展。但由于价格高昂，使得金刚石衬底的氮化镓器件的应用被限制在国防和航天等领域。

另外，不仅是半导体，金刚石也可应用于量子传感器。金刚石材料对于量子互联网等未来技术非常重要。特殊的缺陷中心可以用作量子比特，并发射称为单光子的单个光粒子。柏林洪堡大学的科学家们已经将单个量子位集成到优化的金刚石纳米结构中。这些结构比人类头发细1倍，可以以定向方式将发射的光子转移到玻璃纤维中。所用金刚石材料的一个特点是晶格中氮杂质原子的密度相对较高。这些可能保护量子光源免受纳米结构表面的电子噪声的影响。

1、石墨烯技术难题

（ 1）带隙问题
半导体由其带隙所定义，带隙指的是激发一个电子，使其从不能导电的价带跃迁到可以导电的导带所需要的能量。石墨烯作为晶体管应用时，带隙必须足够大，才能使晶体管开和关之间的状态对比明显，从而准确无误地处理信息。

然而，常规的大片石墨烯是一种零带隙材料 ，在费米能级处其电导率不会像一般半导体一样降为零，而是达到一个最小值，以此作为沟道的晶体管很难被关断，进而限制石墨烯应用于晶体管。因此，如何产生禁带以实现高的开关比是石墨烯晶体管研究重点。根据文献报道，当前产生禁带方法包括直接产生禁带法和间接产生禁带法。

（ 2） 制备问题
石墨烯除带隙问题外，其制备问题也一定程度上限制了在半导体领域的应用。制备出高质量石墨烯薄膜是石墨烯成功应用于半导体领域的关键。目前，应用较为广泛的石墨烯制备方法主要有：微机械剥离法、化学氧化-还原法、化学气相沉积法（ CVD）和外延生长法等。对半导体领域而言，目前制备石墨烯单晶主要有两种途径：一种是以单点形核控制来制备石墨烯单晶；另一种是表面外延生长取向一致的石墨烯晶畴，最后以无缝拼接的方法来制备石墨烯单晶，外延生长制备石墨烯单晶主要采用铜单晶或者锗作为衬底。

2、碳纳米管技术难题
（1）材料问题
碳基半导体需要的是半导体型的碳纳米管，金属型碳纳米管相当于杂质，会造成短路干扰电路运行。但在碳纳米管制备过程中金属型与半导体型共生，剔除金属型碳纳米管，尽可能提高碳纳米管的半导体纯度是一大技术难题。碳纳米管集成电路批量化制备的前提就是超高半导体纯度、顺排、高密度、大面积均匀的碳纳米管阵列薄膜。2013 年，美国杜克大学在《自然》期刊上发表的一篇评述性文章提出，半导体纯度超过 99.9999%（“6 个 9”）、密度达到 100-200 每微米，取向角＜ 9°，才可实现大规模高性能集成电路。这是因为碳纳米管中的金属杂质会像铜线一样导致设备短路，只有极高纯度才能获得高效率。此外，要将数量众多的碳纳米管塞进指甲盖大小的芯片就必须精确地控制好各个碳纳米管之间的距离，这就要求精度极高的阵列控制。

目前，虽然碳纳米管材料制备取得了突破，但距离其大规模应用还存在诸多挑战。例如， 要实现碳纳米管阵列薄膜的大规模均匀定向排布，需要将每微米间的碳纳米管数量控制在125-200 个。要实现碳纳米管的大规模生产，碳纳米管晶圆的面积也要足够大，现阶段能制作 8 英寸晶圆，但未来需要更大尺寸才能满足需求，而且尺寸增大的同时必须保证碳纳米管排列取向单一，在技术实现上有很大挑战。

（ 2）性能问题

除制备外，碳纳米管还面临三个方面问题的困扰。

一是材料缺陷。 虽然半导体型碳纳米管可以制备场效应晶体管沟道，但合成过程中经常产生一定比例的金属型碳纳米管，几乎没有带隙，这将导致高泄漏电流和潜在的错误逻辑。

二是可靠性较差。碳纳米管暴露于空气后会在几天内降解，且在高能电场下进行操作时，碳纳米管场效应晶体管会发生雪崩击穿现象，这些性质会影响碳纳米管的实际应用。目前，研究人员发现，可通过多通道结构提高碳纳米管场效应晶体管的稳定性，使其在几个月后依然保持稳定的性能。

三是现有性能不足。

（3）规模化、低成本制备生产难题

目前碳基材料的主要挑战来源于规模化生产面临的高可控性材料加工问题，即必须在绝缘衬底上定位生长出所需管径大小的碳纳米管半导体。网状薄膜的碳纳米管可以避免材料手性和位置控制问题，但是由于其性能的限制，只适合于柔性电子学等对器件和电路的速度和集成度要求不高的领域。基于平行碳纳米管阵列材料的电子学虽然可以避开位置控制的要求，但是如何规模化生长致密、均匀的纯半导体型碳纳米管仍面临着巨大挑战。

（4）产学研合作难题

半导体产业链环节众多，除材料制备外，还需要设计、
制造、封装等众多工具和环节配合，形成生态链。当前，以中国北京大学彭练矛团队、美国麻省理工学院舒拉克团队为代表的研究团队在碳基半导体领域取得一系列阶段性进展，但半导体生态链的构建仅靠实验室显然是不够的，必须实现产学研合作。

3、金刚石半导体

要实现高性能的金刚石电子器件，则具备一定尺寸的高质量单晶金刚石制备及其电导调控至关重要。电子级金刚石晶圆的制备的关键技术难题，主要有几个因素：1、纯度，杂质浓度要小于 10 ppd；2、缺陷密度控制到10⁴/cm² 以下，目前硅晶圆的缺陷密度可以控制在每平方公分 1万个缺陷以内；3、尺寸大小，2 英寸只是起点，晶圆尺寸越大，芯片在较长时间的稳性和耐久性以及经济性就会提高很多。目前主要是用 CVD 法来做电子级晶圆。

近 10 年来，国际上金刚石晶体和外延薄膜的制备技术已取得了较大进展，可合成 10mm 量级尺寸的单晶金刚石，晶体质量可与天然金刚石媲美。然而，要能广泛用于半导体电子器件的研制，制备大面积的金刚石晶体依然是巨大的挑战。金刚石半导体的 p 型掺杂迄今已取得较大进展，利用微波等离子体技术，在金刚石同质外延过程中引入 B 杂质，可获得 高质量的 p 型金刚石半导体。但金刚石半导体的 n 型掺杂则困难得多，最常见的施主杂质是 N 元素，但其在金刚石带隙中能级太深，很难获得 n 型电导。金刚石半导体有效的 n 型掺杂技术迄今依然在艰难地探索中。

另外，单晶金刚石的主要制造难点在于生长周期长、温度控制难、电学掺杂难、工艺重复性差。金刚石晶圆的切割、研磨、抛光等加工工艺难度也很大。目前生长完成之后都是采用激光切割实现外延层与衬底的分离，并采用机械研磨的方法对衬底进行表面加工。

而且国内尚不能大规模生产适用于高质量半导体金刚石生长的MPCVD设备，主要进口于日本、德国和法国，目前国内主要研究院所均采用自研MPCVD设备。除高质金刚石单晶材料的生长之外，金刚石器件制造过程中，还有干法刻蚀、n型和p型掺杂、欧姆接触等关键技术问题尚没有得到很好的解决。

所以说，想要实现芯片级金刚石的工业化，就需要克服提高金刚石纯度、制作大尺寸金刚石薄片等一系列系统性技术挑战。如今，已经有越来越多的的大学和研发机构在推进金刚石的研发，正在将金刚石半导体从研发阶段推向实用化。能否将金刚石半导体的实用化和潜力推行下去的关键，产学研合作至关重要。要实现金刚石电子器件的优异性能及其产业化应用还有很长的路要走。

4、……

文章转载自：“芯师爷”