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大意电子学商讨所彭练矛-李勇强勇集团完成世界

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大意电子学商讨所彭练矛-李勇强勇集团完成世界

半导体碳纳米管被认为是构建纳米晶体管的理想沟道材料,有望推动未来电子学的发展。在过去的二十多年间,基于碳管的器件和电路得到广泛研究,并在器件物理、性能研究探索、电路制备等领域取得了巨大进展。碳基电子学的进一步发展,特别是碳基集成电路的实用化推进,很大程度上依赖于大面积制备、高半导体纯度的高质量碳纳米管材料。构建碳基集成电路的理想材料是平行排列的高密度半导体碳纳米管阵列,但目前的制备技术仍难以实现。在现阶段所有碳纳米管材料中,发展最为成熟、最适合构建集成电路的是随机取向的高半导体纯度的碳管薄膜,已被广泛用来制备包括基本逻辑门、半加器、全加器、环振等电路在内的各种晶体管和集成电路,然而由于随机取向碳管薄膜的无序性,人们一直认为其更适合对性能要求不高的器件或电路,比如平板显示驱动晶体管以及柔性、瞬态、透明电等等。近年来,随着材料纯度和质量的不断提升,基于随机取向的碳纳米管薄膜晶体管和电路性能也进一步增强,并被尝试用于高性能数字集成电路,但是这种晶体管在性能和功耗方面能否满足高性能数字集成电路的标准,尚需从器件物理性质上加以研究。

集成电路芯片遵从摩尔定律,通过缩减晶体管尺寸,不断提升性能和集成度,成本得以降低;然而,进一步发展却受到来自物理极限、功耗和制造成本的限制,需要采用新兴信息器件技术支撑未来电子学的发展。碳纳米管被认为是构建亚10 nm晶体管的理想材料;理论和实验研究均表明相较硅基器件而言,其具有5~10倍的本征速度和功耗优势,性能接近由量子测不准原理所决定的电子开关的极限,有望满足后摩尔时代集成电路的发展需求。但是,由于寄生效应较大,实际制备的碳管集成电路工作频率较低,比硅基互补金属氧化物半导体电路的工作频率低几个数量级。在国际商业机器公司研究人员2017年8月发表的基于碳管阵列的环形振荡器的研究工作中,振荡频率达282 MHz,仍远远低于预期。因此,大幅度提升碳纳米管集成电路的工作频率成为发展碳纳米管电子学的重要挑战。

北京大学信息科学技术学院电子学系、纳米器件物理与化学教育部重点实验室的张志勇-彭练矛联合课题组研究了随机取向碳纳米管薄膜晶体管的性能极限,探索了晶体管的横向尺寸和纵向尺寸微缩规律,发现尺寸缩减在可提升器件性能的同时,也会明显损坏亚阈值摆幅。统计实验结果表明,随机取向碳管薄膜晶体管的开态性能和关态性能之间存在着明显的相互制约规律。联合课题组通过实验和理论结合,揭示出这种开、关态相互制衡的现象主要是由薄膜中碳管的方向呈随机无序分布而引起的。分布方向随机的碳管会引起薄膜器件中单管阈值和电流大小的离散分布,从而导致亚阈值摆幅变差和最大跨导增长梯度变缓,导致亚阈值摆幅与最大跨导之间的制衡折衷现象。最终,通过平衡亚阈值摆幅和跨导,兼顾晶体管的开态与关态,使得栅长为120 nm的随机取向碳管薄膜晶体管可满足大规模数字集成电路的需求。

北京大学信息科学技术学院物理电子学研究所、纳米器件物理与化学教育部重点实验室彭练矛教授-张志勇教授团队在碳纳米管电子学领域潜心研究十几年,发展了一整套碳管CMOS技术,前期已实现亚10 nm CMOS器件以及中等规模集成电路。日前,他们通过对碳管材料、器件结构/工艺和电路版图的优化,在世界上首次实现工作在千兆赫兹频率的碳管集成电路,有力推动了碳纳米管电子学的发展。

近日,上述工作以《面向数字电路应用的碳纳米管网状薄膜晶体管性能极限探索》为题,发表于材料领域著名期刊《先进功能材料》,并被选做内封面;北京大学电子学系博士研究生赵晨怡为第一作者,张志勇、彭练矛教授为共同通讯作者。相关课题得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市科技计划等资助。

团队首先通过优化碳管材料、器件结构和工艺,提升碳纳米管晶体管的跨导和驱动电流;对于栅长为120 nm的晶体管,在0.8V的工作电压下,其开态电流和跨导分别达到0.55 mA/μm和0.46 mS/μm,其中跨导为已发表碳管器件的最高值。基于如此性能的器件,成功实现了五级环振,振荡频率达680 MHz。而后,进一步优化器件结构,在源漏和栅之间引入空气侧墙,以减少源漏寄生电容;同时增加栅电阻的厚度,以减少寄生电阻,振荡频率达到2.62 GHz。在此基础上,通过缩减碳管晶体管栅长和优化电路版图,将五级环振振荡频率进一步提升至5.54 GHz,比此前发表的最高纪录提升了几乎20倍;而120 nm栅长碳管器件的单级门延时仅为18 ps,在没有采用多层互联技术的前提下,速度已接近同等技术节点的商用硅基CMOS电路。更为重要的是,该技术所采用的碳纳米管薄膜作为有源区材料,可实现高性能碳管环振电路的批量制备,且电路成品率为60%,环振的平均振荡频率为2.62 GHz,表征差为0.16 GHz,表现出较好的性能均一性。

2017年12月11日,上述工作以题为《基于碳纳米管薄膜的千兆赫兹集成电路》的论文,在线发表于《自然·电子学》,即将正式刊载于该期刊的创刊号,这也是北京大学在该期刊发表的首篇论文;信息学院2013级博士研究生仲东来为第一作者,张志勇教授和彭练矛教授为共通通讯作者。这项研究工作不仅极大推进了碳纳米管集成电路的发展,更表明基于现有的碳管材料,通过简单工艺已可能实现性能与商用单晶硅基CMOS性能相当的集成电路;如果采用更为理想的材料和更高级的加工工艺,则有望推动碳纳米管技术在速度和功耗等方面全面超过硅基CMOS技术。

该项研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市科技计划和建设世界一流大学和特色发展引导专项的资助。

相关链接:作为自然科研品牌下即将推出的新期刊,《自然·电子学》面向学术界和工业界,旨在发表电子学领域所涵盖的基础研究和应用研究的最新原创性成果,侧重报道新兴技术的发展及其对社会变革的重大影响。创刊号将于2018年1月出版发行。官网:

图 《自然·电子学》官网截屏与文中描述的碳纳米管环形振荡电路

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