0 引言
60年来，以硅为核心的半导体技术推动了人类社会的深度变革，硅基晶体管微缩速度持续降低，逐渐接近物理极限和工程极限，半导体产业已进入后摩尔时代。碳基材料被认为是有可能继承硅基材料延续摩尔定律的新型半导体材料。2009年，国际半导体技术发展路线图（ITRS）将碳基纳米材料列入延续摩尔定律的未来集成电路选项，路线图确认碳基电子学是未来半导体最重要的一个方向
[1]。
碳基半导体是一种在碳基纳米材料基础上发展的，以碳纳米管（carbon-nanotube，CNT）、石墨烯为代表的半导体材料。其中，碳纳米管具有极高的载流子迁移率、超薄的主体尺寸以及优良的导热性
[2]，石墨烯也以其高载流子迁移率和出色的热导率而闻名。因此，与硅基技术相比，碳基技术展现出更优越的性能和更低的能耗。
作为全球芯片科技重地，中国、美国、欧盟及日本、韩国近年来都在进行碳基芯片的相关研究。目前，中美两国在芯片领域竞争激烈，美国对我国进行严格的技术和产品出口管制，因此，碳基芯片成为我国实现芯片产业自主发展甚至超越式发展的重要路径之一。
我国对碳基芯片技术和产业的发展寄予厚望，与此同时，近年来美国政府部门及大型芯片企业对碳基半导体的项目支持和产品研发却逐步减少。美国在硅基芯片领域具备全球霸主的地位，其政府和产业界对碳基芯片研究支持的减少可能是由于只将其视为战略储备，而非重点发展产业。基于此，了解学术界对碳基芯片的研究态势至关重要，为我国碳基芯片未来研发布局、资金投入提供重要决策支撑。
目前，学术界针对碳基芯片领域的研究进展和发展趋势进行了研究分析。北京大学碳基电子学研究中心刘一凡等
[3]深入分析了碳基电子技术本征优势、基础性问题与进展以及碳基电子技术的应用与发展方向。北京大学高喜龙等
[4]综述了碳纳米管场效应晶体管的制备工艺，分别从材料制备、晶体管结构、源漏工程和栅工程等角度，详细地拆解并评价了各工艺的优势和局限性，总结了目前碳基场效应晶体管所面临的工艺挑战。王立娜等
[5]从战略规划和项目部署数据出发，分析了石墨烯电子技术、碳纳米管电子技术、碳化硅电子技术三大碳基电子技术的发展现状与趋势。德国维尔茨堡大学Bencurova等
[6]对纳米纤维素碳基材料芯片及产业化进程进行了文献综述。加州大学圣巴巴拉分校Li等
[7]回顾了碳基纳米材料特别是一维形态的碳纳米管和石墨烯纳米带作为下一代集成电路材料的研究进展。但目前国内外尚未出现基于文献的系统性分析研究。本文以碳基芯片，主要是碳纳米管和石墨烯芯片领域的相关论文为研究对象，对碳基芯片领域发展态势进行了系统性研究。本研究综合运用文献计量分析、BERTopic主题建模和共现网络分析等多种方法，系统解析碳基芯片领域的研究态势，以期为我国碳基芯片研发布局提供科学决策支持。
1 数据来源和研究方法
1.1 数据来源
本文重点关注2种最具产业潜力的碳基芯片，即碳纳米管芯片和石墨烯芯片，以Web of Science核心合集数据库为数据源，以TS=(("CNT transistor") OR ("CNT FET") OR CNTFET OR CNFET OR ("carbon nanotube transistor") OR ("carbon nanotube FET") OR ("carbon nanotube field-effect transistor") OR CNT-chip OR CNFET-chip OR ("carbon nanotube chip") OR ("carbon nanotube-based chip") OR ("carbon nanotube-based transistor") OR ("carbon nanotube-based FET") OR ("CNT integrated circuit") OR ("carbon nanotube integrated circuit") OR ("carbon nanotube IC"))和TS= (("graphene transistor") OR ("graphene FET") OR ("graphene field-effect transistor") OR ("graphene chip") OR ("graphene-based chip") OR ("graphene-based transistor") OR ("graphene-based FET") OR ("graphene integrated circuit") OR ("graphene IC") OR ("graphene logic circuit")）2个检索式的检索结果合集为基础文献数据集。检索时间为2000—2025年，经过人工去噪，共计得到3896篇论文。
1.2 研究方法
本文首先通过文献计量分析，从研究趋势、主要研究国家及国际合作等多个维度考察该领域的发展脉络，并借助共现网络分析结果来构建国家间的合作图谱，以揭示全球科技协作格局。随后，采用BERTopic主题模型对论文标题及摘要文本进行主题聚类，识别该领域的核心研究主题。基于以上分析全面展现碳基芯片领域的全球科研布局。
2 碳基芯片全球研究态势
2.1 发文趋势
碳基芯片领域发文数量总体呈上升趋势（
图1），经历了从初期缓慢增长到高速发展，再到相对稳定成熟的3个阶段，当前研究热度仍然较高，但增速有所放缓。萌芽期（1999—2005年）：该阶段研究刚刚起步，领域关注度较低，主要进行碳基材料晶体管与硅基材料晶体管相比的潜在优势研究，如高载流子迁移率、热稳定性等以及小尺寸碳基器件概念验证研究；快速增长期（2005—2016年）：这一阶段是领域研究的爆发期，该阶段主要研究石墨烯和碳纳米管的晶体管、光电器件和传感器的开发以及在微电子和柔性电子领域的早期应用尝试，如高频晶体管、透明导电薄膜等；平稳期（2016—2023年）：该阶段发文量虽有波动，但整体呈现稳定趋势，主要进行碳基器件集成化研究，研究更加聚焦于高性能器件与产品应用。
2.2 研究国家分析
2.2.1 研究成果较为集中，美国产出位居榜首
碳基芯片相关论文的研究成果分布于全球70多个国家，发文前10的国家如
图2所示。中美两国是该领域的主要研究国家。其中美国以915篇文章位居首位，占全球论文总量的23.49%。中国紧随其后，发文量为672篇，发文占比17.25%，约为美国发文量的73%。美国凭借其在半导体、纳米材料及相关交叉领域的深厚积累，占据领先地位。而中国近年来在碳基芯片研究方面投入不断加大，论文产出快速增长，已成为该领域的核心竞争者。
除中美两国外，印度和伊朗的研究表现亦较为突出，分别以612篇和451篇论文位列第3和第4。韩国则位居第5，发文占比不足10%。从整体来看，全球碳基芯片研究的高度集中化特征明显，前10个主要研究国家的总发文量达3368篇，占全球论文总量的86.44%。表明该领域的研究主要由少数国家主导，并且研究资源和科研能力呈现较强的集中趋势。
2.2.2 美国具有先发优势，中印增长迅速
美国在碳基芯片领域研究具有先发优势，在2016年前一直位居全球首位（
图3）。但中国和印度产出增长迅速，年发文量逐步超过美国。中国自2013年后进入快速增长阶段，尤其是2017年以后，论文产出逐步接近并最终超过美国，到2023年，中国的科研产出已达到美国的2.47倍。印度的科研产出虽然起步较晚，但从2013年开始，印度的论文产出出现显著提升，特别是2020年，印度的论文产出超过了美国，达到了美国的1.45倍。尽管印度的增长速度在某些年份有所波动，但整体来看，印度的科研产出呈现强劲的上升势头，2023年的产出为美国的1.27倍。此外，伊朗在2020年和2023年的发文也超过美国。
在碳基芯片系统方面，美国产学研合作紧密，具备了极强的系统集成能力，虽然在材料制备方面并未形成绝对优势，但在制造商业碳基芯片方面，占有绝对优势地位。2017年，美国国防高级研究计划局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）“电子复兴计划”第一批项目中资助金额最多的是向麻省理工学院的Shulaker提供的6100万美元碳基研究项目。该项目的目标是改进碳纳米管场效应晶体管（carbon nanotube field-effect transistor，CNFET）工艺，用于集成式单片3D片上系统（system on a chip，SoC）商业制造。Shulaker团队与代工企业SkyWater合作，实现了在200 mm晶圆上规模制造CNFETs。DARPA打通了3D碳基芯片生产体系，2019年，美国格芯（Global Foundries）在其90 nm生产线上制造出3D 碳纳米管芯片，其生产过程中的90多种硅基控制系统与碳基芯片生产完全兼容。2019年8月，美国麻省理工学院（MIT）Hill等
[8]设计和构建了一种碳纳米管（carbon nanotubes，CNTs）微处理器，利用14000多个碳纳米管晶体管制造出16位微处理器- RV16X-NANO，是当时用CNT制造的最大的计算机芯片。该芯片性能并不理想，运行频率未达到兆赫兹级别。MIT团队在碳基处理器的制备中采用了一种称为MIXED技术来解决碳纳米管的掺杂问题。在设计和处理方面，实现了与现有的硅基芯片工艺兼容，如EDA软件、材料和工艺制备都与硅基芯片工艺兼容。与硅基工工艺的兼容使其能够更快实现产业变现。
同时，美国研究产出的减少值得关注，美国大型芯片企业从早期的积极参与碳基芯片研究，然后，Intel和IBM先后宣布放弃碳基芯片研究和生产方案，这在一定程度上说明，使用碳基材料制备集成电路面临着重大挑战。
中国较早开始探索碳基器件极限，目前已成为世界最重要的碳基半导体创新地之一。其中，北京大学彭练矛团队
[9]在碳纳米管晶体管集成电路研究中多次取得突破性进展，形成了具有完整自主知识产权的碳基集成电路新体系。2017年，该团队首次制备出栅长5 nm的碳纳米管晶体管
[9]，工作速度2倍于Intel当时最新商用硅晶体管，能耗却只有硅晶体管的1/4。这表明，在10 nm以下，碳纳米管芯片比硅基芯片具有明显的性能优势。而且有望达到由量子力学和热力学定律所决定的性能极限。展现出碳纳米管电子学的巨大潜力。2018年，团队再次取得重要突破，发展出新原理的超低功耗晶体管-狄拉克源晶体管（Dirac source-FET, DS FET），有望将集成电路的工作电压降低到0.5 V及以下，为3 nm以后技术节点的集成电路技术提供解决方案
[10]。2023年，彭练矛团队
[9-10]首次展示了基于阵列碳纳米管的90 nm节点晶体管和电路，探索了将碳基晶体管进一步缩减到10 nm节点的可能性，具备可以高度集成的能力。目前，该团队研发的高灵敏碳纳米管晶体管氢气传感器产品已经上市，其探测限可以达到0.5×10-6，属于最高端的氢气传感器产品。
与美国相比，我国的碳基芯片研究多数由科研机构或高校承担，目前我国基本掌握了碳纳米管集成电路制造技术，能够在实验室环境下加工出碳纳米管集成电路。性能是目前世界上有报道的最好的。但学术界与产业界并未形成合作，多数研究只停留在实验室阶段。
2.2.3 中国国际合作参与度较低，欧洲国际合作表现突出
表1展示了碳基芯片领域发文量Top10国家/地区的自主研究和国际合作情况。美国的国际合作占比为39%，中国的国际合作占比为22%，显示出与美国相比较低的国际合作参与度。欧洲国家在科研领域展现出较为突出的国际合作特征，德国和西班牙的国际合作占比非常高，分别为65%和65%，表明它们在该领域的研究活动中更加依赖国际合作。法国的国际合作占比为44%，意大利为33%，同样展现出较高的国际合作水平。
本研究利用VOSviewer绘制了领域发文量排名前50国家/地区的国际合作网络图（
图4），旨在从网络视角出发，深入揭示各国在该领域的合作研究情况。分析结果表明，美国的合作网络最为广泛，与37个国家/地区的研究者合作发文。中国则与29个国家/地区开展了合作研究。作为该领域科研产出的2大主力，中美两国互为对方最重要的合作伙伴。此外，中国在亚洲地区与日本和韩国合作较为频繁，而美国除与中国合作外，还与韩国、德国和伊朗具有较高的合作发文量。
3 研究主题
本文选择BERTopic主题建模方法进行研究主题识别。BERTopic是一种基于BERT词向量的主题建模方法
[11]。相较于传统的 Latent Dirichlet Allocation (LDA) 和 Contextualized Topic Models (CTM)，该方法的稳定性以及语义理解方面性能更好，能够有效结合密度聚类与中心采样策略
[12]。BERTopic比LDA在预训练嵌入、主题数量自动寻优等方面具有明显的性能优势
[13]。王蓝蓝
[14]采用BERTopic模型提取主题总结近年计算机视觉的研究前沿及热点主题；王志强等
[15]利用BERTopic在语义层面对大科学装置科学研究联合基金资助项目与资助论文进行主题提取等。本研究基于Python语言实现BERTopic主题建模，并选择Paraphrase-Multilingual-MiniLM-L12-v2作为实验所用的词向量模型，以确保对多语言文本的良好语义表示能力。
利用BERTopic对文献的摘要和标题字段进行主题聚类，首先对摘要和标题字段进行标准化预处理，包括去除特殊字符、标点符号、停用词，以及大小写归一化，以提升文本的一致性和规范性。之后，利用预训练的BERT模型对处理后的摘要文本生成高维词向量，随后采用UMAP将其映射到低维空间，以便进行有效的聚类分析。然后，利用HDBSCAN（基于密度的层次聚类算法）对降维后的文本嵌入向量进行聚类，自动识别文本主题的数量。最后，结合TF-IDF方法提取每个主题的代表性关键词，以解释各主题的语义特征，从而实现对文献摘要的主题聚类分析。聚类结果如
图5所示。
对论文摘要字段进行BERTopic主题建模，共识别出6个研究主题（
表2）。具体包括以下内容。
Topic0: 石墨烯场效应晶体管（GFET）及其性能优化。该主题主要涉及石墨烯场效应晶体管（GFET）的研究，包括其物理特性、工作原理以及在高性能电子器件中的应用。研究重点包括电场调控、载流子迁移率、器件结构优化以及高频响应特性等
[16-17]。
Topic1: 碳纳米管场效应晶体管（CNTFET）设计与电路集成。该方向关注碳纳米管场效应晶体管（CNTFET）的设计及其在低功耗电子电路中的应用。研究内容包括CNTFET的结构优化
[18]、功耗控制、制造工艺
[19]以及在逻辑电路中的应用。
Topic2: 碳基传感器与气体检测。该主题主要探讨碳材料（如碳纳米管和石墨烯）的气体传感器的设计及应用，尤其是在NO₂等有害气体检测中的灵敏度、选择性和稳定性方面的研究。近年来，用于生物分子检测、疾病诊断等的碳基生物柔性传感器受到广泛关注
[20-22]，基于碳纳米管的柔性传感器因其高灵敏度、良好的生物相容性和机械柔性，在可穿戴医疗设备、无创健康监测以及微流控生物芯片等领域展现出巨大潜力。
Topic3: 碳基神经形态计算与存储。该方向涉及利用碳材料（如CNT和石墨烯）构建神经形态计算（neuromorphic computing）和存储器件
[23]，以模拟生物神经网络的工作机制，研究重点包括突触行为、脉冲神经网络、存储特性和能效优化等。
Topic4: 碳基光电探测器与光电转换。该研究方向聚焦于碳纳米管及石墨烯在光电探测器中的应用，涉及光生电流机制、光敏探测器的优化设计，以及在红外、可见光等波段的光电响应特性
[24]。
Topic5: 低功耗碳基电路与信号处理。该主题关注碳材料的低功耗电路设计，特别是在计算和信号处理中的应用，如近似计算、功耗优化、延迟管理和高效能量管理电路等
[25-26]。
本研究基于BERTopic主题建模方法，识别出碳基芯片领域的6个主要研究方向，可归纳为3个核心领域：碳基晶体管与电路集成、碳基材料在新型计算与传感中的应用、碳基光电应用。在晶体管与电路集成方面，研究聚焦于碳基场效应晶体管（GFET和CNTFET）及其在低功耗电路与信号处理中的应用，包括器件结构优化、载流子迁移率提升、功耗控制及高效能量管理等关键技术。在新型计算与传感应用方面，碳基传感器研究侧重于气体检测，关注高灵敏度、选择性和稳定性优化；而神经形态计算探索碳材料在类脑计算和存储器件中的应用，涉及突触行为、脉冲神经网络及能效优化等问题。此外，在光电应用方面，研究围绕碳基光电探测器的光电转换与探测器优化，重点探讨光生电流机制及多波段光电响应特性。
整体来看，碳基芯片技术的研究方向涵盖器件结构优化、低功耗计算、传感检测、神经计算及光电应用，展现出广阔的应用前景。未来，随着碳材料制备技术与器件工艺的不断进步，该领域有望推动高性能、低功耗及多功能化电子器件的突破性发展，为下一代信息技术提供重要支撑。
4 结论与建议
4.1 主要结论
本文基于计量分析和BERTopic主题模型，对碳基芯片领域的论文进行了全面分析，得出以下结论。
1）尽管全球碳基芯片领域的研究热度持续保持较高，但增速已出现放缓的趋势。当前的研究重点主要集中在器件集成化，尤其是性能器件开发以及产业化应用，这一趋势表明，碳基材料的研究正逐步进入应用落地阶段。这也意味着，碳基芯片在技术突破后的实际应用变得愈加关键，未来的研究将更加关注提升器件性能、稳定性以及生产可行性，以促进行业的实际落地和市场化进程。
2）从各国研究情况来看，中美两国依然是碳基芯片领域的主要研究阵地。美国在该领域具备明显的先发优势，长期处于领先地位。然而，中国和印度的研究产出增长迅速，尤其是中国，近年来科研产出显著提升，逐步缩小了与美国的差距。印度虽然起步较晚，但从2013年起展现出强劲的科研增长势头，尤其在近年，印度的产出超越美国，成为一个不可忽视的研究力量。
3）从国际合作的角度来看，中国的国际合作参与度较低，显示出该国在全球合作网络中的影响力相对有限。而欧洲国家在碳基芯片领域展现出突出的国际合作特点，尤其是德国和西班牙，其国际合作占比非常高，显示出这些国家在全球科研网络中的高度融合，体现了其对国际合作的重视和依赖。
从研究主题分析，论文主要涉及6个研究主题，包括：①石墨烯场效应晶体管（GFET）及其性能优化；②碳纳米管场效应晶体管（CNTFET）设计与电路集成；③碳基传感器与气体检测；④碳基神经形态计算与存储；⑤碳基光电探测器与光电转换；⑥低功耗碳基电路与信号处理。碳基芯片研究领域正朝着高性能器件、低功耗电路、环境监测、智能计算和光电应用等多个方向快速发展。
4.2 我国发展建议
我国较早开始探索碳基器件极限，目前已成为世界最重要的碳基半导体创新地之一。因中美当前芯片领域的竞争格局及美国对我国的技术和产品出口管制，我国进行碳基芯片的研究目标是实现超越硅基芯片性能的路径，即通过成熟制程碳基芯片实现先进制程硅基芯片性能。但目前我国学术界与产业界的合作远落后美国，无法打通制造环节。随着碳基芯片的理论研究逐渐成熟，如何向产业化过渡成为未来的主要趋势，在向产业化过渡过程中，3D碳基芯片、大规模制造工艺、与硅基芯片集成工艺等将成为未来碳基芯片领域的主要技术趋势。我国要真正将碳基芯片从学术界引入产业界，仍需诸多努力。
4.2.1 明确技术前景，防止技术陷阱
我国在进行碳基芯片的研发过程中，识别并监测技术发展前景是制定有效发展策略、优化资源配置的关键。1）多维度评估技术成熟度，通过实验验证、产业应用案例、国际对比等手段，评估碳基芯片相关技术的发展阶段。2）利用专利分析、论文计量分析、产业技术路线图等方法，系统梳理碳基芯片技术的发展趋势，识别潜在的“技术陷阱”。其中，技术陷阱主要包括2类：一是国际炒作但缺乏实际应用价值的技术；二是可能被用于误导国内研究方向的技术。可以通过专利申请趋势、国际会议论文数量、行业龙头公司布局等手段进行甄别。例如，一些高理论预期但长期无法实现器件集成的碳基器件。3）定期跟踪国外最新进展，重点关注文中发文排名前10国家的重点企业和科研机构进展，通过情报分析，识别是否存在“夸大式”技术炒作，以及是否有国际领先企业实际投入研发和产业化布局。4）建立“负面清单”制度：对于被验证为低应用价值或战略误导的技术，及时调整国家研发资源配置，并引导高校和科研机构优化研究方向。
4.2.2 明确研发目标，不过度追求先进制造工艺
在当前国际科技竞争格局下，美国对我国实施芯片技术出口管制，这给我国芯片产业发展带来挑战。在此背景下，我国碳基芯片研发的短中期核心目标，在于突破外部技术封锁，构建自主可控的芯片技术及产业体系。其中，研发出性能与7 nm硅基芯片相当的碳基芯片，成为我国碳基芯片研究的关键任务。参考美国 DARPA电子复兴计划第一期，其最大项目聚焦于运用90 nm 碳基工艺，达成7 nm硅基芯片性能。值得注意的是，我国在90 nm制程领域已基本实现自主可控。基于此，我国在碳基芯片研究目标设定上，应保持理性务实，不过分执着于追求顶尖先进制造工艺，而是紧密围绕满足当下国家实际需求，将有限资源精准投入到能切实推动产业自主发展、打破外部制约的关键环节，有效提升我国碳基芯片产业的整体实力与抗风险能力。
4.2.3 制定发展路线图，明确短期与长期应用目标
鉴于目前碳基半导体在产业化进程中技术路线仍不够明晰、商业模式也尚未搭建完成，所以迫切需要拟定一份碳基半导体发展路线图，此路线图将对国内碳基半导体技术的发展方向以及产业推进策略提供切实可行的建议，助力其在复杂的发展环境中找准方向，我们可参照国际半导体技术发展路线图（ITRS）对未来约 15 年的半导体技术和产业发展给予建议的思路，针对国内碳基半导体在工程化与产业化过程中面临的挑战给出具有针对性的解决策略，在应用场景拓展方面，应着力推动碳基传感技术等高性能、中集成度的应用，争取在3~5年内取得显著成果，实现相关技术在实际场景中的广泛应用，5~10年的时间跨度内，要将目标瞄准碳基射频电子、特种芯片等高性能高集成度的应用领域，通过持续的技术研发与创新实现这些领域的突破与发展，而对于技术复杂度最高、商业价值最大的超大规模碳基数字集成电路，需在前期积累足够的技术经验，完成产业的多轮迭代升级之后，在15年内全力以赴实现这一宏伟目标，使我国在碳基半导体领域达到国际领先水平，占据产业发展的制高点。
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