carbon nanotubes 碳纳米管晶体管

今天抽时间回答了一下知乎提问“3nm之后，芯片制造何去何从”的问题。

后摩尔技术有很多选择，如三星正在推动的GAA和FinFET发明者胡正明教授正在推动的负电容晶体管都是当中的代表，碳纳米管则是另一拨人坚持的流派。

碳纳米管技术的原子量级的管径保证了器件具有优异的栅极静电控制能力，更容易克服短沟道效应。

其超高的载流子迁移率则保证器件具有更高的性能和更低的功耗。

所以这种材料被认为是构建亚10纳米晶体管的理想材料。而多个理论研究也表明，碳纳米管器件相对于硅基器件来说在速度和功耗上具有5-10倍的优势，有望满足“后摩尔时代”集成电路的发展需求。

碳纳米管的应用不仅仅是可能将现有的技术继续向前推进几个技术节点，而是可能提供一个全新的可能性。

已经证明，碳纳米管技术可以用一个简单的平面工艺一直走到物理极限，而不需如硅技术那样发展更复杂的三维晶体管技术，例如FinFET，来降低短沟道效应。

另外，就是碳纳米管技术是一个低温技术，可以制备三维的芯片。要知道，硅芯片堆叠的最大障碍就是散热。如果是低温技术，理论上可以无限堆叠。

这为未来的芯片制造打开了一个广阔的空间，有望将现有的芯片性能提高上千倍。

2017年，北京大学信息科学技术学院彭练矛-张志勇课题组就研究出了5纳米碳纳米管CMOS器件，将晶体管性能推至理论极限。

彭教授的团队制作了一个由14000个碳纳米管晶体管组成处理器。这个成功意义非凡，标志着碳纳米管CMOS技术正在快速走向成熟，走向应用这个事实。

这对于没有完全掌握先进半导体制备技术（例如FinFET以及在未来3纳米技术节点可能出现的纳米线、纳米片技术）的中国半导体产业来讲至关重要

这是一个全新的框架，全新的路径，极有可能也是中国半导体技术真正的未来希望。

碳纳米管技术是一个基础技术，将来有可能对电子技术的方方面面都会产生重大影响。

目前制备的小尺度碳纳米管晶体管的综合性能超过商用硅基14纳米晶体管十几倍。

在彭教授看来，碳纳米管的制造乃至商用，面临最大的问题还是决心，国家的决心。若国家拿出支持传统集成电路技术的支持力度，加上产业界全力支持，3-5年应当能有商业碳基芯片出现，10年以内碳基芯片开始进入高端、主流应用。

附录

Carbon Nanotubes for Digital Logic （from IBM 2015）

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