主流的硅基CMOS集成电路的发展遇到来自物理极限、器件功耗和加工成本等多方面的瓶颈，未来集成电路的继续发展，需要引入基于新原理、新材料、新结构的新型晶体管。碳纳米管作为一种稳定的准一维纳米半导体材料，具有独特的结构和优异的电学性能，比如其超高的载流子迁移率和平均自由程、单层原子结构，提供了制备晶体管所需的优异的载流能力、栅控能力和尺寸缩减潜能，完美契合了半导体产业界对新型晶体管的高性能和低功耗需求。
北京大学电子学系碳基电子学研究中心、纳米器件物理与化学教育部重点实验室张志勇-彭练矛联合课题组一直从事高性能碳纳米管晶体管和集成电路制备的研究。从材料开始突破，前期发展了全新的提纯和自组装方法，制备出高密度、高纯半导体阵列碳纳米管材料，在4英寸基底上制备出密度为120 /μm、半导体纯度高达99.99995%的碳管阵列（Science 368, 850-856, 2020），从而达到超大规模碳管集成电路的需求,突破了长期以来阻碍碳管电子学发展的瓶颈，首次在实验上显示出碳管器件和集成电路较传统技术的性能优势，为推进碳基集成电路的实用化发展奠定了基础。并且在此基础上，首次实现了有望在太赫兹频段工作的碳纳米管射频晶体管和高性能放大器，充分展现了碳管在射频电子学上的优势和潜力(Nature Electronics 4, 405-410, 2021)。虽然目前碳纳米管阵列材料已经制备出高性能的晶体管和电路，但是由于在材料、器件结构以及工艺过程等方面缺少系统的优化，制备的空穴型场效应晶体管（p-FET）通常为耗尽型（即阈值电压为正值，在零栅压时仍有足够大的导电能力），亚阈值斜率摆幅（SS）远大于100 mV/dec，这些问题会给构建碳基集成电路带来较大困难，并大幅度增加电路的功耗。因此，基于高密度半导体碳纳米管阵列构建高性能增强型晶体管，成为发展碳基电子学所必须的关键技术。
张志勇-彭练矛联合课题组通过系统的优化阵列碳纳米管沟道材料,改善MOS栅叠层结构（碳纳米管/栅介质/栅金属），实现了基于阵列碳纳米管的高性能增强型晶体管和集成电路，展现出碳管电子学的优势。制备的顶栅晶体管的载流子迁移率高达1850 cm2/V·s，是目前已报导的高密度碳纳米管阵列材料迁移率的最大值，接近化学气相沉积（CVD）生长的单根碳管迁移率，并且远超商用硅基空穴迁移率，充分展示了碳纳米管在高性能晶体管和电路应用中的潜力（见图1）。基于优化的栅叠层结构，200 nm栅长碳纳米管晶体管的室温下SS为73 mV/dec，峰值跨导和饱和电流分别达到1 mS/μm和1.18 mA/μm（见图2），在与相近尺寸的硅基晶体管和其他高性能碳管晶体管比较中，碳基晶体管在性能和功耗上表现出综合优势（见图3），实际性能超越相似尺寸的硅基晶体管。基于此高性能、均匀的增强型晶体管，批量制备出5、7、9、11阶环形振荡器，11阶环振产率高达80%，单阶门延时达到11.3ps，是目前基于纳米碳管和其他纳米材料制备的环振电路中的新纪录（见图4）。
该工作首次实现了基于阵列碳管的高性能增强型晶体管和集成电路，充分展现出碳管电子学的优势。2021年8月28日，部分研究成果以《基于阵列碳纳米管的增强型晶体管和高速电路》（Enhancement-Mode Field-Effect Transistors and High-Speed Integrated Circuits Based on Aligned Carbon Nanotube Films）为题，在线发表于《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）。北京大学电子学系、前沿交叉学科研究院2018级博士生林艳霞为第一作者，北京大学电子学系碳基电子学研究中心、纳米器件物理与化学教育部重点实验室张志勇教授和彭练矛院士为共同通讯作者。
上述研究得到国家重点研发计划“纳米科技”重点专项、北京市科技计划等资助。
原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202104539
图1 高密度、均一半导体阵列碳管表征
图2 高性能碳管晶体管
图3 晶体管性能比较
图4 高速碳管集成电路
