技經觀察 | 碳基半導體：中國晶片產業發展新機遇

碳基半導體作為有可能繼承矽基半導體，成為未來電子信息產業重要基礎的新型半導體材料，其發展潛力值得科研和半導體從業人員對其進行深入挖掘。本文節選自《碳基半導體：中國晶片產業發展新機遇》報告，是碳基半導體系列的綜述篇，對其發展的必然性和應用前景等大致狀況進行了描述。

自進入資訊時代以來，矽基半導體晶片性能持續飛速提升，為世界範圍的網絡化、數位化和智能化打造了堅實的硬體基礎。但隨著晶片製造工藝在納米尺度逐漸逼近物理極限，矽基半導體晶片性能大幅躍升面臨終結，尋找接替矽基的新型半導體材料成為保障晶片性能高速發展的候選項。科學研究發現，以碳納米管為代表的碳基納米材料具備獨特的電學、力學和光學特性，同等工藝水平下製作的碳基晶片，在性能和功耗方面都將比矽基晶片有明顯改善。碳基納米材料成為半導體取得突破的可行方向之一。目前碳基半導體研究領域，我國基本與歐美保持在同一水平，在碳納米管電晶體材料和製備研究方面甚至處於領先地位。碳基半導體為中國晶片產業發展帶來新機遇。

一、碳基半導體是晶片產業發展的重要研究方向之一

半導體指常溫下導電性能介於導體與絕緣體之間的材料，以矽材料為基礎發展起來的半導體稱為矽基半導體，以碳材料為基礎的半導體則被稱為碳基半導體。矽基半導體是當前集成電路乃至整個電子信息產業的基石。長久以來，矽基半導體晶片遵循摩爾定律的預測，晶片性能每隔18-24個月便會提升一倍。但隨著晶片尺寸不斷縮小，特別是工藝水平進入5納米級以後，矽晶片發展開始面臨更加突出的短溝道效應、強場效應、薄氧化層的隧穿效應和功率耗散增加等一系列材料、工藝、技術、器件和系統方面的物理限制，矽基半導體晶片快速提級提質已幾乎走到盡頭。

科學家經過艱辛探索，發現碳基材料具有優異的導電、導熱、光學及機械性能，最有可能成為矽基半導體器件的替代型新材料。現有研究發現，同工藝下的碳基晶片性能比矽晶片領先至少3代，碳基90nm工藝製作的晶片就足以媲美矽基28nm工藝製作的晶片性能；而碳基28nm工藝完全有望媲美矽基7nm工藝。碳基半導體晶片在低精度製程工藝水平下即可達到先進位程工藝水平矽基晶片性能的特點，使碳基材料成為接替矽基半導體材料延續摩爾定律的重要候選。

二、碳基半導體的發展必然性與基礎材料

（一）碳基半導體是晶片技術發展的必然嘗試

近年來，國際上關於摩爾定律即將失效的判斷越來越頻繁。為維持矽基半導體晶片性能高速提升的勢頭，半導體領域的學者和工程技術人員從結構、工藝和材料三個方面尋找破局之道，雖然推出電晶體3D結構、異構集成架構、應變矽技術、矽基光電集成技術等新成果，但矽基半導體晶片性能提升效果逐漸下滑，即將達到物理和技術的「天花板」已是業界共識，尋找和轉向新材料替代的呼聲越發高漲。碳基半導體展現的優異性能，為晶片技術發展提供了新的機遇。

（二）碳基半導體基礎材料

碳基半導體材料中最受關注的是碳納米管和石墨烯。碳納米管是由呈六邊形排列的碳原子構成的管狀晶體，具有許多優於矽材料的力學、電學和化學性能，是最有希望完成矽基替代的碳基材料。IBM的理論計算表明，若按照現有矽基晶片二維平面框架設計，碳納米管技術相較矽基技術具有30年以上的優勢。石墨烯則是從石墨材料中剝離出來，由碳原子組成的只有一層原子厚度的六角型蜂巢狀二維晶體。石墨烯材料電子遷移率高、導熱性好，能在較低溫度和高頻下進行穩定工作。石墨烯電晶體性能與碳納米管電晶體相比存在很大差距，但石墨烯在柔性電子器件、優化晶片散熱、三維集成電路、太赫茲頻率器件和更小尺寸晶片等方向有望發揮重要作用。

三、碳基半導體對電子信息產業的意義

（一）碳基半導體有望使半導體行業獲得整體提升

碳基半導體除應用於晶片外，還有望在其他電子設備的製造中施展拳腳。碳基半導體載流子遷移率高，可應用於射頻器件的製造，提高射頻器件的截止頻率和最大振蕩頻率性能。石墨烯超薄且耐彎曲的特性使其可應用於柔性、透明電子設備的製造，推動顯示設備性能提升。石墨烯和相關二維材料中的自旋電子學不斷發展，也正推動石墨烯自旋電子器件實用化，有望用於空間通信、高速無線電鏈路、車輛雷達和晶片間通信應用領域的耦合納米振蕩器。隨著技術的進步，碳基半導體的應用場景將日益多元化。

（二）碳基半導體或將為未來科技革命鋪平道路

第四次科技革命將帶來電子信息產業的再次爆發式增長。同時，對數據存儲、處理和分析需求的增加，使得全球消耗在數據需求上的能源佔比快速提升。矽基半導體晶片需提升晶片性能並降低能耗才有望支撐新一輪科技革命，但在受限於物理瓶頸，晶片難以繼續微縮的狀況下，大規模算力提升意味著數據處理所需的總能耗將呈指數增長，這是任何國家都無法承擔的負荷。從能耗角度來看，矽基半導體難以負擔第四次科技革命的期望，而碳基半導體有望接替矽基半導體完成這一歷史使命，並為超低功耗的納米電子學開展和未來超低功耗集成電路大規模應用創造條件。新的科技革命或將依託碳基半導體帶來人類社會的又一次飛躍。

發布預告

碳基半導體作為有可能繼承矽基半導體，成為未來電子信息產業重要基礎的新型半導體材料，其發展潛力值得科研和半導體從業人員對其進行深入挖掘。本文節選自《碳基半導體：中國晶片產業發展新機遇》報告，是碳基半導體系列的綜述篇，僅對其發展的必然性和應用前景等大致狀況進行描述。接下來將陸續發布技術篇和產業篇報告，分別對碳基半導體最新研究、技術進展和技術難題，以及碳基半導體可能的產業應用、產業發展難題及其對產業的影響，進行更加具體和詳細的闡述，希望能增進產業、投資、政府和公眾等各界人士對碳基半導體的了解，為我們真正擺脫「貧芯」狀況提供些許思路。

作者簡介

李鵬飛 國務院發展研究中心國際技術經濟研究所研究五室，研究助理

研究方向：信息領域戰略、技術和產業前沿

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張宇國務院發展研究中心國際技術經濟研究所研究一室，研究助理

研究方向：機器人、3D列印、工業網際網路、高端裝備製造等

聯繫方式：[e-mail]

武志星國務院發展研究中心國際技術經濟研究所研究三室，研究助理

研究方向：海洋、新材料領域戰略、技術和產業前沿

聯繫方式：[e-mail]

唐乾琛國務院發展研究中心國際技術經濟研究所研究五室，研究助理

研究方向：信息領域戰略、技術和產業前沿

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作者丨 李鵬飛 張宇 武志星 唐乾琛

編輯丨 劉瑾

研究所簡介

國際技術經濟研究所（IITE）成立於1985年11月，是隸屬於國務院發展研究中心的非營利性研究機構，主要職能是研究我國經濟、科技社會發展中的重大政策性、戰略性、前瞻性問題，跟蹤和分析世界科技、經濟發展態勢，為中央和有關部委提供決策諮詢服務。「全球技術地圖」為國際技術經濟研究所官方微信帳號，致力於向公眾傳遞前沿技術資訊和科技創新洞見。

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