对新材料、新原理、新结构、新器件和新架构的创新研究，是后摩尔时代半导体技术的核心发展内容。而在众多新型半导体材料中，碳纳米管（carbon-nanotube，碳管或 CNT）由于其独特的准一维结构和优异的电学性质受到了人们的高度重视。自1991年碳纳米管被发现以来，人们分析了其在电子学应用方面的材料器件本征优势，而后从材料制备、器件物理、加工工艺乃至集成技术等方面进行了深入研究。经过了深入且系统的探索后，以碳纳米管场效应晶体管和 CMOS 技术为核心的碳基电子技术开始迅速发展，在数字电路、射频电子、传感探测、三维集成和特种芯片等电子学应用中充分展现了其优势与特色。碳基电子技术已经完成了原理探索和潜力评估，形成了较为完整的技术体系，并且越来越受到业界和学术界的关注，成为了后摩尔时代的重要技术方向，甚至在逐步走向工程化和产业化。有鉴于此，本文着重介绍了碳基电子技术在后摩尔时代的本征优势，重点讨论了碳基电子技术的基础性问题与进展，梳理了碳基电子技术的应用场景与发展方向，最后分析了碳基电子技术产业化进程中的综合性挑战，并对其未来发展做出预测和展望。

作者在文章最后的总结和展望中指出，历经20余年发展，碳纳米管已然成为后摩尔时代中最具潜力、最受关注的新型半导体材料，碳基电子技术也显现出了其延续、扩展乃至超越摩尔定律的突出技术价值。在诸多碳基电子技术的基础性问题中，学界已经取得了根本性突破，如理想碳纳米管阵列材料的成功制备、无掺杂CMOS技术的发明等。基于这些材料上和器件工艺上的进步，碳基电子技术还在多个应用领域中展示了其优势与特色，如高性能低功耗的碳基数字电路、高速碳基射频器件、超灵敏碳基传感平台和高能效多功能的碳基三维集成系统等。这些进展说明：碳基电子技术的产业化从原理上看已经没有不可逾越的阻碍，从技术上看有着充分的商业价值。当然，想要真正将碳基电子技术从学术界引入产业界和商业界，还需要对材料、器件结构和集成工艺做进一步优化，如提高金半接触稳定性、降低接触电阻及栅介质界面态、抑制器件双极性等。综合来看，碳基电子技术的原理性优势凸显、工程性挑战与产业化挑战并存，需要加强产学研合作并借鉴成熟的硅基半导体经验，从而发展其标准化的材料制备、器件加工、电路设计和表征测试平台。

在目前全球芯片行业商业热情高涨，但硅基技术发展却进入瓶颈期的大背景下，碳基电子技术为半导体领域提供了一个应对后摩尔时代挑战的可行技术方案，更是为我国提供了一次“换道超车”的机遇。结合碳基电子技术目前的发展态势，其很有可能在短期内实现碳基传感技术等高性能、中集成度的应用，在中长期实现碳基射频电子、特种芯片等高性能高集成度的应用，在完成足够的技术积淀以及产业迭代后实现技术复杂度最高、商业价值最大的超大规模碳基数字集成电路。

图1   (a) 理想的阵列碳纳米管顶栅晶体管示意图^[1]；(b) 不同制备方法得到的碳纳米管的密度和半导体纯度对比，其中蓝色方框区域为理想指标区间^[1]

参考文献

[1] Liu L, Han J, Xu L, Zhou J, Zhao C, Ding S, Shi H, Xiao M, Ding L, Ma Z, Jin C, Zhang Z, Peng L M 2020 Science 368 850