近2～3年来，电子器件国际学会上出现了前所未有的景象。以“碳纳米管（carbon nanotube）”和“石墨烯（graphene）”为主题的会议现场总是挤满了器件技术人员。这些材料受到的关注源于其作为电子器件材料的出众潜力。使用上述材料制造高性能器件并克服实用化过程中出现的技术课题，类似的尝试与成果接连不断。
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碳材料将成为21世纪电子领域的主角。超越Si-MOS FET的高速FET、能够使用卷对卷方式制造的廉价柔性器件、超高灵敏度传感器等开发成果的接踵而至令人不禁产生了这样的预感。使用碳材料实现上述魅力器件的尝试正在源源不断地开展。无论在何种用途中，碳材料都能够发挥出其他材料所没有的特殊物性。
在各种碳材料中，碳纳米管（carbon nanotube）的应用范围广泛，而且开发事例众多（图1）。现有用途包括：（1）LSI用晶体管、（2）柔性器件、（3）LSI布线、（4）传感器（注1）。对于以上用途，碳纳米管都克服了长期以来一直存在的技术课题，展现出了雄厚实力的端倪。
（注1）此外还有发光器件、显示器用透明电极等用途。
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图1：在器件中发挥碳材料的物性利用碳材料各种特征的器件开发事例层出不穷。
碳纳米管的应用范围尤为广泛。本站制作。
利用涂布法在柔性底板上形成FET
（2）柔性器件用途能够发挥碳纳米管在溶剂中呈墨水状的特点。因为此类器件的图案可以使用涂布法绘制。与柔性器件领域开发活跃的有机材料相比，碳纳米管具有两项优势。第一，载子迁移率高，在柔性底板上也能够形成高速晶体管。使用涂布法的有机材料难以实现高于100cm2/V·s的载子迁移率，而碳纳米管能够达到这一水平。第二，特性的时间变化容易控制。
NEC正在开展使用印刷技术在柔性底板上形成碳纳米管FET的研究（图4）。该公司于2009年2月使用“全印刷工艺”试制碳纳米管FET，并对其工作情况进行了验证（图5）。包括通道在内，器件的电极、绝缘膜等全部结构要素均使用涂布法在塑料底板上形成。全过程的工艺温度不到200℃。
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图4：在柔性底板上形成碳纳米管FET 碳纳米管在溶液中不分解、不变质，易于作为墨水材料使用。
图中柔性底板上的FET只有碳纳米管通道为涂布法形成。NEC数据。
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图5：实现“全印刷工艺” （a）NEC成功利用涂布法形成了碳纳米管FET的全部结构要素。
（b）传导型为p型、载子迁移率约为0.01cm2/V·s的器件能够得到103的开关比。NEC数据。
当载子迁移率约为0.01cm2/V·s时，开关比能够达到103，通过控制通道部位的碳纳米管密度，“高载子迁移率有望同时得到实现”（NEC纳米电子研究所主任研究员二瓶史行）。
NEC希望在5年内使利用印刷法形成于柔性底板的碳纳米管FET达到实用水平。设想用途为RFID标签等。在今后，“（NEC）将对照Si芯片，对其最低制造成本进行验证”（NEC纳米电子研究所研究部长万伸一）。
石墨烯与纳米管分庭抗礼
在晶体管通道材料中，石墨烯（graphene）的迅速崛起对碳纳米管形成了威胁。石墨材料具有可逐层分离的结构。石墨烯成为焦点的原因有二。第一，载子迁移率为20万cm2/V·s，高于碳纳米管。第二，结构为层状，易于作为通道材料使用。为了提高通态电流，碳纳米管需要方向一致并大量排列。而石墨烯无需如此困难的制造工艺。
石墨烯通道FET潜力的发现者是IBM。该公司于2008年12月开发出了截止频率高达26GHz、栅极长度为150nm的石墨烯FET。最新数据显示，截止频率“已经提高到了50GHz”（该公司Avouris）。
石墨烯能够形成于Si底板
在此之前，石墨烯FET一直面临以下两个基本课题。如今，所有问题都看到了解决的希望。
第一个课题是半导体通道特性优化技术。石墨烯虽然在单层状态下具备金属特性，但理论分析显示，“该材料在双层化后会出现带隙，具备半导体特性”（东京工业大学大学院理工学研究系物性物理学专业教授安藤恒也）（图6）。如果把双层石墨烯加工成细线（纳米带）状，带隙还能进一步扩大。借助此类器件结构方面的改进，石墨烯FET有望实现较高的开关比。
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图6：石墨烯的潜力备受关注（a）富士通研究所对于石墨烯FET工作速度的蒙特卡洛模拟实验。
（b）双层化能够使带隙扩大0.1～0.2eV。富士通研究所数据，注解为本站添加。
另一个课题是在Si底板上形成石墨烯通道的技术。在过去，石墨烯的形成方法一般是利用热处理改变SiC底板表面的原子排列。2008年，日本东北大学电气通信研究所教授尾辻泰一等人的小组开发出了令SiC层在Si底板上外延生长，使其表面石墨烯化的方法。具体方法是在｛110｝面的Si底板上，通过自主开发的MBE（分子束外延）法，使晶格与该底板匹配的3C-SiC｛111｝层外延生长。然后通过高温退火改变SiC层表面的原子排列，形成石墨烯。该小组已经利用这种方法在Si底板上形成了通道长度为20μm的石墨烯FET，并对n型晶体管的工作情况进行了确认（图7）。
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图7：在Si底板上形成石墨烯FET 假设途径SiC缓冲层的漏电流（IGS和IGD）为已知条件计算出的通道电流。
CREST小组数据，东北大学教授尾辻泰一任该小组代表。