這是九月二日在 《Science Advance》刊載的一篇關於奈米碳管場效電晶體的一篇學術文章[1]。經媒體報導後，標題有些聳動[2]。其實離我第一次在《電子時報》上介紹它已過十餘年，中間持續有進展。只不過此次有性能顯著的提升，所以上了報。
先說它的材料好了。碳是宇宙間豐度很高的元素：第一當然是結構最簡單的氫，占四分之三，然後是氦，占近四分之一，依次是鋰，再來就是碳。這些都是宇宙極早期就有的元素。
碳的存在型態很多樣，像鑽石、石墨都是常見的樣態。碳原子序為 6，結構很簡單，所組成的固體對稱性極高。以現在紅極一時的石墨烯 (graphene) [3] 為例，它是一個二維結構，就是單層結構 (monolayer)。從上往下俯視，碳原子以六角型蜂巢狀結成平面，這大概是二維結構所容許的最大對稱了。奈米炭管 [4] 則是將石墨烯捲成像蛋捲的圓柱。
奈米炭管為什麼適合做場效電晶體中的通道 (channel，指介於電晶體源極 (source) 及漏極 (drain) 之間的通道) 物質呢？電子元件最重要的概念是控制，就是電流通或不通，要能以施加電壓來調控；一直是通電流的物質如金屬、或者一直都斷路的絕緣體都不適合當電晶體。所以以前用半導體當材料，當適度植入正/負離子之後，其導電性就可以用電壓控制。一般半導體的導帶 (conduction band) 與價帶 (valence band) 之間的能量差在 0.3
eV 上下，也就是說以 1 V 以下的電壓就可以控制半導體電晶體的開關，這也是目前的工藝水平。
奈米炭管的電子特性是近乎半金屬 (semimetal) [5]，半金屬的導帶與價帶恰好觸及，所以導電性極佳，而且導電性也可以用電壓調控。另外，在奈米炭管與石墨烯的電子機動性 (mobility) 也很好，可以近光速的千分之一。所以它可以用來做大電流、高頻快速操作的元件。
從這篇文章中看來它已經在製程微縮以及金屬雜質 (散射妨礙導電) 控制上有所進展。作者在每一場效電晶體中放一奈米碳管，而每一微米的間距可以置入 47 根奈米碳管，這大概粗略等於 20 nm 左右的製程，算是不錯了。而導電性因雜質控制的改進可以達到理想值的 1/4，比一般半導體場效電晶體耗能要少 5 倍。看來已非做單一電晶體的概念展示品。但是有優點也就有缺點。像文中提及待克服的漏電流 (leakage current) 問題，其源頭就是因為其導電性好，太好了！不開也漏電。偏偏現在高端的半導體元件漏電流問題很嚴重，有將近 40% 的能量是消耗在發熱上，手機像以前的白金懷爐！
它能替代現有以矽晶為基礎的半導體嗎？實驗室中的樣品性能上也許有些過人之處，但是量產是另一個完全不同的層次。更困難的是半導體的製程微縮已推進至物理的極限邊緣，有人說是 5 nm，也許還可以往下走一兩步，但是為一種新的材料開發一全新的製程以及相應的設備，這太忽略產業累積的巨大投資所形成的慣性了，也太小看物理所設下的天險了！比較可能的情節是將其嵌入現有的矽半導體體制之中，使其與矽晶半導體製程相容，並且從一特殊的應用起步，譬如射頻元件。這是很多新世紀技術的導入策略，如自旋電子學 (spintronics)，我相信奈米碳管要見用亦當如此。
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