碳纳米管晶体管的制备规模、成品率和均匀性始

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。

半导体碳纳米管具有超高的载流子迁移率和极小的直径,是构建亚10 nm场效应晶体管和集成电路的理想沟道材料。理论研究表明,与传统的半导体器件和集成电路相比,在10 nm技术节点以下,碳纳米管器件和集成电路在速度、功耗方面具有巨大优势,因此被认为是未来最有可能替代现有硅基CMOS集成电路、延续摩尔定理的信息器件技术之一。

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。

经过近20年的研究,碳纳米管电子学在器件物理、器件制备和优化、简单集成电路和系统演示方面取得长足进展,然而,由于受限于材料和加工工艺问题,碳纳米管晶体管的制备规模、成品率和均匀性始终难以达到较高水平,限制了碳纳米管集成电路技术进一步向产业化发展。

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。

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-张志勇教授课题组针对如何将碳纳米管从晶体管推向集成电路的世界性难题开展系统研究,并于近期取得重要进展。课题组成员、信息学院博士研究生陈冰炎等通过对碳纳米管材料、器件尺寸与结构、制备工艺的优化,实现了成品率100%的碳纳米管晶体管批量制备。统计测量结果表明,器件具有良好的性能均匀性,特别是其阈值标准偏差低至34 mV,已接近商用65 nm技术节点硅基CMOS晶体管的水平。根据碳纳米管晶体管的性质,他们设计和构建了一系列逻辑门、锁存器、移位器等电路基本单元,使其可在较低电压下工作,并实现了轨对轨输出;以此为基础,在世界上首次实现了碳纳米管四位全加器电路和两位乘法器电路,其中四位加法器逻辑深度为12,包含140个晶体管,是目前集成度最高、复杂性最强的碳纳米管集成电路。受益于对器件均匀性的良好控制,碳纳米管集成电路全部可实现1~2 V的单一电源供电。以上结果均显示出,碳纳米管技术已具备制作大规模集成电路的能力,有望大大加快碳纳米管集成电路的实用化进程。

2016年8月初,陈冰炎为第一作者的相关研究论文以《高均匀性碳纳米管场效应管与中等规模集成电路》“Highly uniform carbon nanotube field-effect transistors and medium scale integrated circuits”为题,在线发表于美国化学会重要期刊《纳米快报》。该项研究得到科技部、国家自然科学基金委员会、北京市科学技术委员会等单位的资助;所用高纯半导体碳纳米管材料由中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所的李清文研究员课题组提供。

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