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电子学系署名论文入选中国电子学会“2019电子信

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电子学系署名论文入选中国电子学会“2019电子信

2019年4月20—21日,第十四届中国电子信息技术年会在安徽省合肥市举行。会议期间,中国电子学会常务理事、会士,评审委员会副主任委员尹浩院士发布了“2019电子信息领域优秀科技论文”,并为作者代表颁奖。由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杨英君博士、丁力副研究员担任第一作者,彭练矛、张志勇教授担任通讯作者的论文《传输时间为亚10纳秒的碳纳米管网状薄膜环形振荡器及其在射频信号传输中的应用》榜上有名。

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。

半导体碳纳米管由于具有优异的电学性能和稳定性,被认为是构建高能效晶体管的理想材料。目前最成熟的碳管材料形式是基于溶液提纯的碳管网状薄膜,其纯度和均匀性已接近大规模集成的要求。但是由于沟道中存在碳管与碳管结,相对较低的性能将限制碳管集成电路的速度,导致在无线通信领域无法应用。该文通过尺寸缩减以及器件结构和工艺优化,极大提升了碳纳米管网状薄膜晶体管的性能,并实现了基于碳管CMOS器件的5阶环形振荡器电路,最大振荡频率高达17.4 MHz,较之前报道的最快的碳管薄膜环振电路的振荡频率提高一个量级,首次实现了单级门延时小于10 ns的碳管薄膜电路,并将可批量制备的碳纳米管电路速度推进到RFID频段。在此基础上,演示基于碳纳米管RFID频段无线通信系统,成功实现了信息的远距离无线传输。文章于2018年1月发表于《纳米研究》。

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。

为引导更多高水平电子信息领域科研成果在国内科技期刊或学术会议发表,中国电子学会组织开展了“2019电子信息领域优秀科技论文遴选活动”。经相关高校、科研机构、期刊编辑部以及专家的推荐,共收到近百篇推荐论文。经评审专家组分组函评和会评,最终确定八篇论文入选。

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。

活动公告:

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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