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    我国学者在用于高性能电子学的高密度半导体阵列碳纳米管研究方面取得进展

    日期 2020-05-29   来源:信息科学部   作者:唐华 张志勇 宋朝晖  【 】   【打印】   【关闭

      在国家自然科学基金项目(批准号:61888102)等资助下,北京大学信息科学技术学院电子学系/北京大学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、彭练矛教授课题组与湘潭大学湖南省先进传感与信息技术创新研究院、浙江大学、北京大学纳光电子前沿科学中心等单位合作,在用于高性能电子学的高密度半导体阵列碳纳米管研究方面取得进展,相关研究成果以“用于高性能电子学的高密度半导体碳纳米管平行阵列”(Aligned, high-density semiconducting carbon nanotube arrays for high-performance electronics)为题,于2020年5月22日在线发表在《科学》(Science)上。论文链接:http://science.sciencemag.org/content/368/6493/850。

      集成电路的发展要求互补金属氧化物半导体(CMOS)晶体管在持续缩减尺寸的同时提升性能、降低功耗。随着主流CMOS集成电路缩减到亚10 nm技术节点,采用新结构或新材料对抗场效应晶体管中的短沟道效应,以进一步提升器件能量利用效率变得更加重要。半导体碳纳米管具有超高的电子和空穴迁移率、原子尺度的厚度和稳定的结构,是构建高性能CMOS器件的理想沟道材料。碳管集成电路批量化制备的前提是实现超高半导体纯度(>99.9999%)、超顺排(取向角<9º)、高密度(100~200 /μm)、大面积均匀的碳纳米管阵列薄膜(图1)。

      研究团队发展了一种全新的提纯和自组装方法,用于制备高密度高纯半导体阵列碳纳米管材料。并在此基础上首次实现了性能超越同等栅长硅基CMOS技术的晶体管和电路,展现出碳管电子学的优势。采用多次聚合物分散和提纯技术得到超高纯度碳管溶液,结合维度限制自排列法,在4英寸基底上制备出密度为120 /μm、半导体纯度高达99.99995%、直径分布在1.45±0.23 nm的碳管阵列,从而达到超大规模碳管集成电路的需求。基于这种材料,批量制备出场效应晶体管和环形振荡器电路:100 nm栅长碳管晶体管的峰值跨导和饱和电流分别达到0.9 mS/μm和1.3 mA/μm(VDD=1 V),室温下亚阈值摆幅为90 mV/DEC;批量制备出五阶环形振荡器电路,成品率超过50%,最高振荡频率8.06 GHz,超出已发表基于纳米材料的电路(图2)10倍以上,且超越了相似尺寸的硅基CMOS器件和电路。

      近三年来,在国家自然科学基金等支持下,该课题组在《科学》(Science)上相继发表5 nm栅长碳管CMOS器件(2017年1月)、作为高能效和高性能电子开关的狄拉克源场效应晶体管(2018年6月)等一系列碳纳米管电子学的重要研究成果,为推进碳基集成电路的实用化发展奠定了基础。

    图1大规模集成电路对碳管材料的要求

    图2 碳管高速集成电路




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