国产5nm碳纳米管研究新突破_碳纳米管的研究及展望
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国产5nm碳纳米管研究新突破
北京大学信息科学技术学院彭练矛-张志勇课题组在碳纳米管电子学领域进行了十多年的研究，发展了一整高性能碳纳米管CMOS晶体管的无掺杂制备方法，通过控制电极功函数来控制晶体管的极性。集成电路发展的基本方式在于晶体管的尺寸缩减，从而性能和集成度，得到更快功能更复杂的芯片。目前主流CMOS技术即将发展到10纳米技术节点，后续发展将受到来自物理规律和制造成本的限制，很难继续提升，“摩尔定律”可能面临终结。20多年来，科学界和产业界一直在探索各种新材料和新原理的晶体管技术，以望替代硅基CMOS技术。但是到目前为止，并没有机构能够实现10纳米的新型CMOS器件，而且也没有新型器件能够在性能上真正超过最好的硅基CMOS器件。碳纳米管被认为是构建亚10纳米晶体管的理想材料，其原子量级的管径保证了器件具有优异的栅极静电控制能力，更容易克服短沟道效应；超高的载流子迁移率则保证器件具有更高的性能和更低的功耗。理论研究表明碳管器件相对于硅基器件来说具有5-10倍的速度和功耗优势，有望满足后摩尔时代集成电路的发展需求。但是已实现的最小碳纳米管CMOS器件仅停滞在20nm栅长（2014年 IBM），而且性能远远低于预期。北京大学信息科学技术学院彭练矛-张志勇课题组在碳纳米管电子学领域进行了十多年的研究，发展了一整高性能碳纳米管CMOS晶体管的无掺杂制备方法，通过控制电极功函数来控制晶体管的极性。彭练矛教授（左）和张志勇教授（右）5nm技术节点实现突破近年来，该课题组通过优化器件结构和制备工艺，首次实现了栅长为10纳米的碳纳米管顶栅CMOS场效应晶体管（对应于5纳米技术节点），p型和n型器件的亚阈值摆幅（subthreshold swing, SS）均为70 mV/DEC。器件性能不仅远远超过已发表的所有碳纳米管器件，并且更低的工作电压（0.4V）下，p型和n型晶体管性能均超过了目前最好的（Intel公司的14纳米节点）硅基CMOS器件在0.7V电压下工作的性能。特别碳管CMOS晶体管本征门延时达到了0.062ps，相当于14纳米硅基CMOS器件（0.22ps）的1/3。图 1：10纳米栅长碳纳米管CMOS器件。A： n型和p型器件截面图和栅堆垛层截面图；B-C: p型和n型碳管器件的转移曲线以及与硅基CMOS器件（Intel, 14nm, 22nm）的对比。D:碳管器件的本征门延时与14nm硅基CMOS对比。课题组进一步探索5nm栅长（对应3纳米技术节点）的碳管晶体管。采用常规结构制备的栅长为5纳米的碳管晶体管容易遭受短沟道效应和源漏直接隧穿电流影响，即使采用超薄的高k栅介质（等效氧化层厚度0.8纳米），器件也不能有效地关断，SS一般大于100mV/Dec。课题组采用石墨烯作为碳管晶体管的源漏接触，有效地抑制了短沟道效应和源漏直接隧穿，从而制备出了5纳米栅长的高性能碳纳米管晶体管，器件亚阈值摆幅达到73mV/Dec。图2：5纳米栅长碳管晶体管。A：采用金属接触的碳管晶体管截面TEM图，以及采用石墨烯作为接触的碳管晶体管SEM图；B:石墨烯作为接触的碳管晶体管示意图；C：栅长为5纳米的碳管晶体管的转移曲线。性能遥遥领先传统硅器件在此基础上，课题组全面比较了碳纳米管CMOS器件的优势和性能潜力。研究表明，与相同栅长的硅基CMOS器件相比，碳纳米管CMOS器件具有10倍左右的速度和动态功耗（能耗延时积，EDP）综合优势，以及更好的可缩减性。对实验数据分析表明，5纳米栅长的碳管器件开关转换仅有约1个电子参与，并且门延时达到了42fs，非常接近二进制电子开关器件的极限（40fs），该极限由海森堡测不准原理和香农-冯诺依曼-郎道尔定律（SNL）决定。表明5纳米栅长的碳纳米管晶体管已经接近电子开关的物理极限。图3： 碳纳米管CMOS器件与传统半导体器件的比较。A： 基于碳管阵列的场效应晶体管结构示意图；B-D：碳管CMOS器件（蓝色、红色和橄榄色的星号）与传统材料晶体管的亚阈值摆幅（SS），本征门延时和能量延时积的比较。课题组研究了接触尺寸缩减对器件性能的影响，探索了器件整体尺寸的缩减。将碳管器件的接触电极长度缩减到25纳米，在保证器件性能的前提下，实现了整体尺寸为60纳米的碳纳米管晶体管，并且成果演示了整体长度为240纳米的碳管CMOS反相器，这是目前实现的最小纳米反相器电路。
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