全球碳基电子技术发展态势分析*

王立娜 唐 川 徐 婧

（1.中国科学院成都文献情报中心，成都610041；2.中国科学院大学经济与管理学院图书情报与档案管理系，北京100049）

半导体集成电路是现代信息产业的基石。但是，原子尺度硅材料的基本物理限制使得由摩尔定律驱动的硅技术演进路径似乎正快速接近终点［1］。随着摩尔定律走向终结，人工智能、物联网、超级计算及其相关应用却提出了更高的性能要求，半导体产业步入亟需转变突破发展的关键点［2］。研究硅基材料的替代材料，开发新型电子器件是解决当前芯片发展瓶颈的一种重要解决方法。凭借尺寸小、速度快、功耗低、工艺简单等优势，碳基电子技术成为硅基电子技术的重要补充者之一。在工艺技术高度成熟前，碳基芯片可以作为硅基芯片的补充，增强硅基芯片的性能，应用于一些特殊场景［3］。例如，碳基芯片可以柔性、透明等新形态呈现，在显示、医疗和健康监控、抗辐射等特殊环境以及近红外成像等领域具有广阔的应用前景。

1 国内外碳基电子技术战略部署格局

1.1 美国：多角度布局碳基电子技术

美国非常重视碳基电子技术的研究工作，国家科学基金会（National Science Foundation，NSF）、国防部高级研究计划局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）和陆军研究办公室、能源部（Department of Energy，DOE）等国家项目资助机构均大力支持碳基电子技术的发展。美国较早开始探索石墨烯电子技术，2008年DARPA就资助2200万美元探索碳电子射频技术研究，开发超高速和超低功耗的石墨烯基射频电路。NSF设立了众多碳基电子基础研究项目，涵盖了碳基电子研究和应用的各个领域。美国在全球石墨烯产业综合实力排名中居领先地位，所取得的诸多基础性研究成果被广泛引用。

NSF开展了多项有关石墨烯、碳纳米管、碳化硅的碳基电子技术研发项目，大多数资助额度介于10～50万美元之间，主要涵盖石墨烯电子器件、石墨烯电路、石墨烯传感器、石墨烯在量子开关等量子技术中的应用、碳纳米管太阳能电池、碳纳米管光电子器件、碳纳米管射频电子器件、碳纳米管传感器、碳纳米管电路、碳纳米管的量子纳米光子学、碳化硅高温集成电路、碳化硅晶体管等光电子器件、碳化硅在量子技术中的应用等研究主题，如表1所示。

表1 NSF资助的主要碳基电子技术项目列表Tab.1 Carbon-based Electronics Projects Funded by NSF

为解决摩尔定律延续面临的挑战，DARPA重金打造了一项具有国家战略意义的计划，2017年6月宣布旨在开启下一次电子革命的“电子复兴计划”［2］，计划五年内投入15亿美元，围绕新材料、新体系结构、软硬件设计三大重点研究领域开展技术攻关。例如，麻省理工学院研究人员获资6100万美元开展“三维单芯片系统”研究，旨在利用石墨烯制作碳纳米晶体管，研制出3D芯片［4］。

此外，DARPA还资助开发射频与毫米波晶体管和石墨烯红外探测器等碳基电子技术研究工作，陆军研究实验室积极探索高功率碳化硅功率半导体封装技术和超高压碳化硅电力电子芯片。美国能源部先进能源研究计划署宣布投资3000万美元开展“利用独创的拓扑结构和半导体材料制造创新可靠电路”项目研究［5］，利用碳化硅氮化镓宽禁带半导体材料开发新型高效、轻量化、可靠的电力电子变换器，结合全新的电路拓扑结构、数字化控制技术、热管理、半导体封装技术提高各类半导体电子器件的性能，降低能耗，为交通、信息、电力等行业带来变革性影响。

1.2 欧盟：全力落实石墨烯旗舰计划

作为石墨烯的诞生地，欧洲十分注重在此领域的战略布局。早在2013年1月，欧盟委员会就计划把“石墨烯旗舰计划”列为首批“未来新兴技术旗舰项目”之一，拟在10年内投资10亿欧元开展石墨烯和相关二维材料技术基础研究和应用研究，促进产业革命和经济增长，创造更多就业机会。“石墨烯旗舰计划”于2013年10月正式启动，先后经历了三个发展阶段，于2020年4月1日起步入第四个发展阶段，各阶段的起止时间、投资额度、研发目标、主要研究机构如表2所示。

表2 石墨烯旗舰计划各阶段的发展目标Tab.2 Development Goals for Each Phase of the Graphene Flagship

石墨烯旗舰计划由6大部门共同分担及实施石墨烯全链条科研及产业化工作，包含合作协调部门1个、管理服务部门1个、科研应用部门4个［10］。其中，四大科研部门分别为基础材料与理论研究部，健康、医疗及传感器部，电子设备及光电子部，能源、复合材料及应用部。同时，石墨烯旗舰计划下设19个工作组，3个基础工作组负责理论研究、自旋电子、材料制备等研究方向，12个应用工作组负责材料应用、复合材料、泡沫材料及涂料、储能、能源、规模化晶圆制备、柔性电子、光电子、电子设备、传感器、生物医药、健康及环境等研究方向，4个工作组负责管理、宣传、创新、产业服务工作。

1.3 英国：校企联合推动石墨烯商业化应用

英国于2011年将石墨烯确定为重点发展的四项新兴技术之一，2013年又联合欧洲研究与发展基金会投资6100万英镑，于曼彻斯特大学创立国家石墨烯研究院，旨在为学术界和企业界提供协同研发平台，推动石墨烯技术的早期开发和商业化进程。2014年，英国工程和自然科学研究理事会（Engineering and Physical Sciences Research Council，EPSRC）与技术战略委员会，于曼彻斯特大学创立了石墨烯工程创新中心。该中心将进一步推动石墨烯电子技术的应用研究和开发，维持英国在相关方面的世界领先地位。目前，曼彻斯特大学已与全球数十家企业合作开展研究，将实验室石墨烯科学研究成果转化成商业化产品。

作为国家科技创新战略政策的重要落实机构，EPSRC推出了一系列碳基电子技术研究行动，如表3所示。

表3 EPSRC资助的碳基电子项目Tab.3 Carbon-based Electronics Projects Funded by EPSRC

1.4 日本：侧重碳基电子技术应用基础研究

日本政府也非常重视碳基电子技术的发展，文部科学省和经济产业省积极支持碳基电子技术研发，鼓励学术界和企业界从事相关研究工作，大力推动碳基电子技术商业化应用。早在2007年，文部科学省下属的日本科学技术振兴机构就资助石墨烯材料和器件技术研究，旨在基于硅基石墨烯工艺技术，研制超高速大规模集成器件、先进开关器件、等离子共振器等［11］。日本科学技术振兴机构和产业综合技术研究所还资助开展绝缘体基板表面石墨烯吸附机理研究。2011年，日本经济产业省资助开展“低碳社会实现之超轻、高轻度创新融合材料”研究，计划投资9亿日元探索碳纳米管和石墨烯材料的批量合成技术。此外，日本日立、索尼、东芝等公司也投入了大量资源推动石墨烯的基础研究和应用开发。

在碳化硅电力电子技术方面，2008年“日本新一代节能器件技术战略与发展规划”提出将采用碳化硅等宽禁带半导体器件进一步降低功率器件的功耗。2010年，日本经济产业省资助“下一代电力电子研发计划”，主要开展碳化硅服务器电源供给、光伏功率调解器系统、高温模块等研究；日本学术振兴会开展“面向于低碳社会的碳化硅新型电力电子器件研发计划”项目，主要研究高压碳化硅绝缘栅双极型晶体管。2014年，新能源产业技术综合开发机构开展“下一代碳化硅研发计划”，主要研究下一代碳化硅衬底、器件、模块；“国家硬电子计划”将碳化硅衬底的制备与器件外延作为了重点研究课题投以巨资进行支持。

1.5 中国：列入中国制造2025重点发展领域

为把握当前全球制造业格局重大调整的历史机遇，我国于2015年5月发布了《中国制造2025》战略。国家制造强国建设战略委员会于2015年9月发布了《＜中国制造2025＞重点领域技术创新绿皮书—技术路线图》，进一步明确了未来十大重点领域发展趋势和重点，服务企业技术创新，2017年6月又在总结技术路线图实施情况的基础上更新发布了《＜中国制造2025＞重点领域技术创新绿皮书—技术路线图（2017年版）》。新材料是此技术路线图的一大重点研究领域，先进半导体材料和石墨烯材料均被列为重点发展方向，如表2所示［12］。此外，2016年7月，国务院印发《“十三五”国家科技创新规划》，指出以石墨烯、高端碳纤维为代表的先进碳材料、超导材料等前沿新材料为突破口，抢占材料前沿制高点［13］。此外，工信部、科技部和发改委联合发布了《关键材料升级换代工程实施方案》，明确提出支持石墨烯批量稳定生产和规模应用［14］；工信部印发了《加快石墨烯产业创新发展的若干意见》。习近平主席在参观英国国家石墨烯研究院时指出：“中英两国在石墨烯研究领域完全可以实现强强联合”。此外，国家重点研发计划积极部署了一系列的碳基电子技术研发项目，如表4所示。

表4 国家重点研发计划部署的碳基电子技术研发项目Tab.4 Carbon-based Electronics Projects Funded by National Key R＆D Program of China

我国国家自然科学基金委员于2020年5月发布“后摩尔时代新器件基础研究”重大研究计划项目指南，重点发展新材料与低功耗器件、新材料与高性能器件、超低功耗新原理信息器件等后摩尔时代新器件和计算架构，突破芯片算力瓶颈，促进我国芯片研究水平的提升，支撑我国在芯片领域的发展与创新。碳基电子技术是后摩尔时代新器件的重点研究方向之一。

2 碳基电子技术研究现状与趋势

2.1 石墨烯微纳电子器件研究精彩纷呈

20世纪80年代后期，人们越来越关注使用碳基材料作为器件中的有源电子材料以及诸多的无源应用。2004年英国曼彻斯特大学的物理学家安德烈海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，在实验室成功地从石墨中剥离出了石墨烯，证明了石墨烯可以单独存在，以“在二维石墨烯材料的开创性实验”荣获2010年诺贝尔物理学奖，从而掀起了石墨烯制备、改性和应用的全球研究热潮。

由于石墨烯具有非常优异的电学、力学、光学和热学等特性，结合石墨烯和微纳加工工艺可实现各种类型和功能的器件，现已开发出基于石墨烯的晶体管、二极管、存储器、集成电路、电池、超级电容器、热电器件、太阳能电池、光电探测器、传感器等电子和光电子器件［15］。例如，美国斯坦福大学和麻省理工学院于2017年7月通过使用二维石墨烯卷成圆柱体形成的碳纳米管将随机存取存储器集成到中央处理器中，开发了一种三维计算机芯片，能够运行程序和简单的多任务操作系统，执行MIPS指令，克服了逻辑电路和存储器之间通信的瓶颈问题。中国科学院重庆绿色智能技术研究院于2013年制备出7英寸的柔性石墨烯触摸屏；金属研究所于2019年10月制备出“硅-石墨烯-锗晶体管”，可大幅缩短延迟时间，并将截止频率由兆赫兹提升至吉赫兹。华为在Mate 20系列手机上首次采用石墨烯散热，其等效导热能力是纯铜膜的2.8倍；荣耀Note 20手机采用石墨烯电池，16分钟就能充满电。

欧盟石墨烯旗舰计划支持制定的新版《石墨烯技术和创新路线图》给出了石墨烯面向2030年及以后的主要领域应用目标，如表5所示［16］。在电子技术领域，石墨烯将在2022年及以前用于制造低成本印刷电子产品，2023—2029年间将主要用于制造高频电子器件和柔性电子器件，2030年后将用于开发自旋逻辑器件。在数据通信领域，石墨烯将在2022年及以前用于先进光通信技术，2023—2029年间将主要用于先进网络基础设施的建设，2030年后将用于6G及更高级无线网络和片上光数据产品。在能源领域，石墨烯将在2022年及以前用于快速充电电池和先进光伏产品，2023—2029年间将主要用于制造柔性钙钛矿太阳能电池和仓储物流用超级电容，2030年后将用于开发钙钛矿多结光伏器件和交通用燃料电池。总体来说，尽管这些应用目标并不一定能够如期实现，但指明了石墨烯电子技术的预期发展方向。

表5 面向2030年及以后的石墨烯主要应用领域Tab.5 Key Graphene Applications for 2030 and beyond

欧盟2015年发布的《石墨烯科学和技术路线图》指出了石墨烯电子器件和光子器件的预期应用时间表，如图1和图2所示［17］。在石墨烯电子器件方面，2015—2020年间主要是基于中等质量的石墨烯材料，开发触摸屏、可卷曲的电子纸、可折叠的有机发光二极管产品；从2020年开始，高质量石墨烯将逐渐发展，开始用于制造射频晶体管、逻辑晶体管／薄膜晶体管、其他未来电子器件等产品。在石墨烯光电子器件方面，2020年后石墨烯光电探测器、锁模半导体激光器、调制器、偏振控制器、固态锁模激光器、无线电收发器、可调光纤锁模激光器、太赫兹波探测器将逐渐步入应用阶段，石墨烯隔离器和太赫兹发生器将于2025年后步入应用阶段。总体来说，尽管这些预期应用目标并没有全部如期实现，但指明了石墨烯电子器件和光子器件的预期发展方向。

图1 石墨烯电子器件的预期应用时间表Fig.1 Timeline of Expected Applications of Graphene Electronics Devices

图2 石墨烯光电子器件的预期应用时间表Fig.2 Timeline of Expected Applications of Graphene Optoelectronic Devices

2.2 碳纳米管电子技术逐渐从基础研究转向实际应用

碳纳米管具有独特的电学、力学和光学特性，尤其是高迁移率、纳米尺寸、柔性、通透性和生物可兼容性等与传统硅基材料和其他纳米材料相比独一无二的特性，能够满足未来信息产业对高性能、低功耗和各种功能化的需求，是电子器件应用的理想材料。自1991年被首次观测以来，碳纳米管一直受到学术界和产业界的持续关注，碳纳米管电子器件和集成电路的研究也不断深入。近年来，基于碳纳米管的碳基电子学研究取得了飞速发展，并逐渐从基础研究转向实际应用［18］。得益于材料自身的优良性质和世界范围的政策和资金支持，研发人员在碳纳米管的器件物理、器件制备、集成方法等方面都取得了相当的成就。研究进展表明碳基电子学器件相比传统硅基器件具有5～10倍的速度和能耗优势，可以实现5纳米以下的半导体技术节点，满足2020年之后新型半导体芯片的发展需求。研发人员已经实现了具有各种功能的基础逻辑单元，原则上就可以利用这些逻辑单元制备出具有极高复杂程度的碳基集成电路。

近年来，碳纳米管电子技术取得了令人瞩目的研究进展。2013年，美国麻省理工学院开发了由178个晶体管组成的只能执行简单指令的碳纳米管计算机［19］。2017年，IBM研究人员使用钼金属来直接接驳碳纳米管端部，最终将整个晶体管的接脚面积压缩到了40平方纳米，打造出世界最小晶体管。2019年8月美国麻省理工学院和半导体企业亚德诺的研究人员利用1.4万余个碳纳米管晶体管制造出一颗16位微处理器［20］，证明可以全部利用碳纳米管场效应晶体管制造性能更高的微处理器，有望为先进硅基微电子器件带来一种高效能的替代品。这标志着碳纳米管互补金属氧化物半导体（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）技术正在快速走向成熟，走向应用这个事实。

我国北京大学彭练矛教授团队发展了基于碳纳米管的高性能、低功耗CMOS晶体管和集成电路技术，有望在性能和功耗上全面超越现有硅基技术。该研究团队于2017年首次开发了5纳米栅长的碳纳米管CMOS晶体管，首次实现中等规模的高性能碳基CMOS集成电路；2018年制备出速度达5.54 GHz的碳基集成电路；2020年制备出直径分布1.45±0.23纳米、半导体纯度超过99.9999%、密度高达120／微米的碳纳米管平行阵列，并基于这些碳纳米管研制出性能超越同等栅长硅基CMOS技术的晶体管和集成电路［21］，突破了纯度、密度顺排和面积等在碳纳米管材料制备上长期无法攻克的瓶颈，首次在实验上证明了碳纳米管电子器件和集成电路相对于传统硅基电子技术的性能优势，为碳基电子技术的实用化和规模工业化发展奠定了基础。

2.3 碳化硅电子技术产业应用如火如荼

碳化硅具有高电子迁移率、高临界击穿电场等特性，是制造高温、高压、高功率、抗辐照器件的优良半导体材料，也是目前综合性能较好、商品化程度最高、技术成熟度最高的第三代半导体材料。碳化硅功率半导体器件为更小体积、更快速度、更低成本、更高效率的下一代电力电子技术的进步提供了机遇，在智能电网、轨道交通、电动汽车、新能源并网、开关电源、工业电机以及家用电器等领域具有重大的应用前景和产业价值。随着碳化硅材料制备技术不断进步，全球主要发达国家竞相发展碳化硅电力电子器件技术。近年来，多家国际大公司纷纷布局向6英寸碳化硅电力电子器件制造工艺，积极开发高压、大容量碳化硅电力电子器件产品。目前，肖特基二极管、PIN二极管、金属-氧化物-半导体场效应晶体管、绝缘栅双极型晶体管等碳化硅电力电子器件耐压高达10 kV以上，单管器件最高电压超过27 kV［22］。2019年，Cree公司宣布投资10亿美元打造碳化硅超级制造工厂，将碳化硅晶圆制造能力提高30倍，以满足2024年的预期市场增长［23］。

3 启示与建议

随着芯片性能遭遇增长瓶颈，人工智能应用成为半导体行业发展的重要推动力，所需的海量计算数据搬运进一步加剧了传统冯诺依曼计算架构芯片固有的“内存墙”挑战，半导体行业亟需采用新架构和新材料来寻求芯片性能突破。在诸多新型半导体材料技术中，碳基电子技术成为硅基电子技术的重要补充者之一。目前，碳基电子技术获得了美国、欧盟、英国、日本、韩国等国家／地区的政府机构和大型公司的积极关注与研发布局，多年来取得了一系列重要甚至里程碑式研究进展。

中国在碳基电子技术研究领域具有良好的研究基础和广阔的发展空间，但核心技术仍受制于人，未来应进一步整合优势资源，聚力突破关键碳基电子技术发展障碍。本文提出以下建议，为中国在相关领域的工作提供参考。

制定碳基电子技术发展战略，完善顶层布局。美国已通过“超越摩尔定律的科学与工程”和“2020年后的纳米电子学”等项目来资助碳基纳电子材料等硅基替代技术研究；欧盟启动了“石墨烯旗舰计划”；英国也建立了国家级石墨烯研究机构和工程创新中心，支持早期研发及商业化。因此，中国应充分把握半导体产业面临的变革机遇，推动制定碳基纳电子国家战略，从顶层设计层面部署科学化、体系化的碳基电子技术发展举措，制定关键碳基电子技术研发路线图，明确优先发展领域、发展目标、关键挑战和时间节点，抢占未来半导体技术发展新的制高点，在全球电子信息技术产业中获取更多的控制权。

建立产学研联合攻关网络，突破关键碳基电子技术产业化瓶颈。石墨烯电子技术、碳纳米管电子技术、碳化硅电力电子技术是当前热点碳基电子技术，石墨烯电子技术和碳纳米管电子技术已逐渐从基础研究向应用研究转变，碳化硅电子技术已逐渐步入应用阶段。中国应携手政府、学术界、产业界、投融资机构等所有利益相关者共同部署石墨烯电子技术、碳纳米管电子技术、碳化硅电子技术项目，以基础研究为抓手，以商业化应用为目标，力争取得碳基芯片、石墨烯射频器件、石墨烯自旋电子器件、碳化硅功率电子器件等技术突破，扭转中国高端电子信息产品依赖国外进口的被动局面。

致谢：中南大学教授汪炼成、东方电气中央研究院储能与新材料技术研究所高级工程师张中伟、电子科技大学副教授尹良君对本文提出了宝贵的意见与建议，谨致谢忱！