碳基纳电子材料与器件

Carbon based nanoelectronics: Materials and devices

现代信息技术的基石是集成电路芯片,而构成集成电路芯片的器件中约90%是源于硅基CMOS(complementary metal-oxide-semiconductor,互补金属-氧化物-半导体)技术.经过半个世纪奇迹般的发展,硅基CMOS技术即将进入14 nm技术节点,并将在2020年之前达到其性能极限,后摩尔时代的纳电子科学与技术的研究变得日趋急迫.目前包括IBM在内的很多企业认为,微电子工业走到8 nm技术节点时可能不得不面临放弃继续使用硅作为支撑材料,之后非硅基纳电子技术的发展将可能从根本上影响到未来芯片和相关产业的发展.在为数不多的几种可能的替代材料中,碳基纳米材料——特别是碳纳米管和石墨烯,被公认为是最有希望替代硅的材料.北京大学碳电子研究团队最新研究结果表明,在14 nm技术节点碳纳米管晶体管的速度和功耗均较硅基器件有10倍以上的优势,进入亚10 nm技术节点后这种优势还将继续加大.2013年9月,美国斯坦福大学研究组在《自然》杂志以封面文章的形式报道制造出了世界上首台碳纳米管计算机.2014年7月1日《MIT技术评论》报道IBM宣布由碳纳米管构成的比现有芯片快5倍的芯片将于2020年之前成型.基于碳纳米管的集成电路技术不再是遥不可及的梦想,现代信息科技与产业的支撑材料正加速从硅到碳进行转变.相较欧美发达国家在2020年之后的非硅基纳米电子学研究领域的巨额投入,我国对非硅基技术尚无布局.为抢占下一代半导体技术战略制高点,建议尽快启动国家碳电子计划,用一个协调的方式来支持包括材料生长、器件制备、模拟和系统设计方面的研究,汇聚优势资源,系统推进碳基信息技术的成型和发展,奠定中国未来的纳电子产业基础.

The foundation for modern information technology（IT） is integrated circuits chips, and more than 90% of the chips are composed of devices fabricated using complementary metal-oxide-semiconductor（CMOS） nanotechnology. After miraculous developments of five decades, Si CMOS is moving into 14 nm node, and will arrive at its absolute performance limit before 2020. And research on nanoelectronics beyond 2020 is urgently needed. It now becomes a generally accepted fact that we may have to face the possibility of giving up silicon when come to 8 nm technology node, and nanoelectronics using non-Si materials may shake the very foundation of the semiconductor and IT industry. Among the few options being considered, carbon based nanoelectronics, including those using carbon nanotube（CNT） and graphene, are regarded being most promising. Recent developments in Peking University suggest that in 14 nm technology node, CNT based transistors outperform that of Si devices by about 10 times both in terms of speed and power dissipation, and it will become ever more advantageous when scaled further down to sub-10 nm regime.