互补金属氧化物半导体（CMOS）技术的持续微缩已使器件性能与能效受到日益严峻的基本物理限制。短沟道效应、源漏直接隧穿、载流子迁移率退化及静电控制弱化等问题对先进超大规模集成电路（VLSI）系统的进一步微积分构成显著挑战。石墨烯纳米纤维（GNFs）作为石墨烯纳米结构的侧向限域形态，因其可调控能带隙、高本征载流子迁移率及优异热导率，已成为下一代金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFETs）的颇具前景的候选沟道材料。本文综述了基于GNF的金属氧化物半导体（MOS)器件的最新进展，重点涵盖材料合成技术、能带隙工程策略、载流子输运机制、创新器件架构以及电路级集成的前景展望。文中讨论了多种理论与计算方法——包括密度泛函理论（DFT）、非平衡格林函数（NEGF）方法、漂移扩散模型以及采用Verilog-A的紧凑器件模型，将其视为性能预测与器件优化不可或缺的工具。同时，将GNF基器件的性能与硅（Si）、锗（Ge）及碳纳米管（CNT）等成熟技术进行了对比，以凸显其潜在优势及固有权衡。最后，审视了可扩展制造、接触电阻、器件变异性及长期可靠性等关键挑战，并概述了将GNFs集成至实用VLSI系统的未来研究方向。
当前的互补金属氧化物半导体（CMOS）技术持续发展，其性能提升主要源于器件尺寸在过去数十年间的不断微缩。随着工艺节点从传统的5 nm节点向亚5 nm节点推进，硅基晶体管正面临日益严峻的基本物理与技术限制。在3 nm及5 nm等先进工艺节点中，物理栅长通常低于15 nm，有效沟道长度接近10 nm，接触栅距约为45 nm。在如此极端的微缩尺度下，多种关键问题随之凸显，包括显著的短沟道效应、增强的源漏隧穿效应、因表面散射加剧而导致的载流子迁移率退化、更高的功率密度以及严峻的热管理难题。这些不利因素共同制约了CMOS技术的进一步微缩，并限制了现代CMOS技术的性能与能效提升。为应对上述挑战，研究人员致力于探寻新型沟道材料以期获得更优的电荷输运特性、更强的静电控制能力以及更佳的热学性能。在此背景下，低维纳米材料，尤其是二维（2D）及一维（1D）结构，已成为下一代纳米电子器件的颇具前景的候选材料。石墨烯凭借其卓越的载流子迁移率、优异热导率、出色机械柔韧性及化学稳定性而备受瞩目。然而，本征石墨烯的零能带隙特性限制了其在数字逻辑电路中的直接应用，因为数字逻辑电路要求器件具备高的通态/断态电流比（I
on/I
off）以确保可靠的开关特性。为克服该固有限制，研究人员开发了基于量子限域的石墨烯基纳米结构，特别是石墨烯纳米带（GNRs）与石墨烯纳米纤维（GNFs）。此类结构通过侧向量子限域与边缘工程引入宽度依赖的可调控能带隙，从而获得适用于晶体管应用的半导体特性。通过精确调控宽度、边缘构型及结构均匀性等参数，这些纳米结构可展现出可调的电子学性质，使其在低功耗、高速纳米电子器件及先进超大规模集成电路（VLSI）架构中极具应用潜力。
已有研究表明，石墨烯纳米纤维的加工制备对于建立能带隙、控制缺陷密度、改善电学特性以及最终实现其在MOSFET中的应用至关重要。原子级光滑边缘、均匀宽度、可控手性以及与CMOS工艺的兼容性是将这些纳米结构集成到各类VLSI系统中的必备条件。目前，多种制造技术已取得了重要进展，可实现石墨烯基纳米结构的可控生产，包括自上而下（top-down）的光刻图形化、碳纳米管纵向切割解链（unzipping）、自下而上（bottom-up）的分子合成以及模板辅助生长等方法。这些技术实现了对纳米结构尺寸及缺陷密度的更优控制。此外，部分制备方法兼容后道（back-end-of-line, BEOL）CMOS工艺，为与现有半导体制造基础设施的集成提供了潜在途径。
在实验研究之外，建模与仿真技术在评估和优化基于GNF的MOSFET性能方面发挥着至关重要的作用。准确的器件分析需要多尺度建模框架，该框架能够捕捉量子限域、载流子输运、静电学行为及热效应之间的相互作用。此类框架通常融合原子级电子结构计算、量子输运模拟、半经典输运模型以及紧凑电路级描述方法，从而实现对器件性能的现实预测，并便于与现有半导体技术进行系统性基准对比。
研究人员将石墨烯纳米纤维基MOSFET的性能与传统硅（Si）、锗（Ge）及碳纳米管（CNT）基MOSFET技术进行了比较。GNF基器件展现出量子限域、高载流子迁移率与优异热导率的独特组合。其关键性能指标包括：截止频率（f
T）潜在可达1 THz以下、高跨导（g
m）以及低栅极电容，这些特性有助于实现超快速开关。与硅基技术相比，GNF基MOSFET具有更高的本征迁移率和更强的抗短沟道效应能力；与碳纳米管相比，GNF在边缘结构控制和制造可重复性方面更具优势，同时避免了碳纳米管因手性不可控而导致的金属性/半导体性混杂问题。
基于GNR/GNF的MOS技术已在多个领域展现出应用潜力。在高速数字逻辑领域，其高迁移率和快速开关特性可满足高性能计算需求；在射频/毫米波电路领域，GNR和GNF基FET表现出高截止频率和跨导，适用于GHz至THz频段的应用；在神经形态计算和存内计算领域，量子限域导致的非线性电流-电压特性有利于模拟突触器件功能；在低功耗物联网硬件领域，其高性能表现为可穿戴健康监测设备、智能纺织品、电子皮肤及植入式生物医学设备等柔性电子应用提供了可能，石墨烯纳米纤维即使在弯曲应变高达20%时仍能保持导电性，优于硅基沟道材料。
尽管GNF基技术前景广阔，但在大规模应用之前仍需克服若干关键挑战，这些挑战涵盖材料、器件、电路及计算机辅助设计（CAD）四个层面。在材料层面，边缘粗糙度（Edge Roughness）会导致能带隙变异性和迁移率降低，大面积均匀性（Large Area Uniformity）的制备——无论是通过化学气相沉积（CVD）还是自下而上方法——仍需进一步提升可扩展性；在器件层面，高接触电阻（High Contact Resistance）影响低压操作和射频性能，介质兼容性（Dielectric Compatibility）方面，在纳米纤维上实现均匀的高κ（high-k）介质沉积仍然困难；在电路及CAD层面，器件变异性建模、统计仿真方法以及工艺设计套件（PDK）的开发尚不成熟。
本研究系统综述了石墨烯纳米纤维基MOS技术的材料合成策略、电子结构工程、输运建模方法及器件级性能评估。石墨烯纳米纤维凭借其侧向限域和边缘工程实现的可调谐能带隙、近弹道输运特性、有利的量子电容以及高本征热导率，在5 nm以下节点展现出改善静电控制、降低能量延时积（EDP）及增强热稳定性的潜力。未来研究需聚焦可扩展制造、接触电阻优化、器件变异性控制及长期可靠性等关键问题，以推动GNF基MOS技术从实验室研究走向实际VLSI系统应用。
