北大排列高密度半導體碳納米管,電子學性能超同尺寸矽基器件
半導體碳納米管首次在真實電子學表現上超越相似尺寸的矽基CMOS器件和電路。5月22日,北京大學電子系碳基電子學研究中心、納米器件物理與化學教育部重點實驗室張志勇-彭練矛課題組在世界頂級學術期刊《科學》(Science)上發表論文,題為《基於高密度半導體陣列碳納米管的高性能電子學”》(Aligned, high-density semiconducting carbon nanotube arrays for high-performance electronics)。
論文描述在4英寸基底上製備了高密度高純半導體陣列碳納米管材料,突破了碳納米管集成電路關鍵的材料瓶頸。張志勇對澎湃新聞表示,該研究團隊目前實際已經可以在8英寸晶圓上製備這種碳管,並開發了全自動的提純和組裝設備,完全具備量產的技術積累。
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大規模集成電路對碳管材料的要求
新材料對抗“短溝道效應”
尺寸堪比細胞的晶體管是搭建芯片的基礎“磚塊”。目前,電子行業所設計的邏輯電路最主流的是互補性金屬氧化物半導體(CMOS)技術,由P型和N型MOS晶體管組合而成。其中,連接源區和漏區,稱作“溝道”的一層薄半導體非常重要。
根據“摩爾定律”的著名描述,當價格不變時,集成電路上可容納的元器件數目約每隔18-24個月便會增加一倍,性能也提升一倍。而CMOS晶體管一旦縮減到亞10nm技術節點,溝道長度隨之縮短,就會出現“短溝道效應”,失去部分器件功能。
因此,科學家們正在探索用新結構或新材料來解決這一問題,進一步提升器件能量利用效率。
在諸多的新型半導體材料中,半導體碳納米管引起了部分關注:它具有超高的電子和空穴遷移率、原子尺度的厚度、以及穩定的結構,是構建高性能CMOS器件的理想溝道材料。
張志勇-彭練矛課題組2017年就曾在《科學》上發文表明,根據前期實驗結果,碳納米管CMOS晶體管採用平面結構即可縮減到5nm柵長,且相較於同等柵長的矽基CMOS器件有10倍的本徵性能功耗綜合優勢。
不過,要兌現這種實驗上的潛力,還需要製備、提純、排列材料方面的技術基礎。
製備、提純與排列
碳納米管是一種由呈六邊形排列的碳原子構成的多層圓管。長期以來碳納米管集成電路的發展一直受到材料問題的製約,關鍵是要實現超高半導體純度、順排、高密度、大面積均勻。
所謂超高半導體純度、高密度,具體指標是半導體純度超過99.9999%、密度達到100-200每微米。
儘管過去20年裡,學術界發展了多種製備、提純、排列碳納米管的方法,但是始終無法接近這個目標。這使得碳納米管晶體管和電路的實際性能遠低於理論預期,甚至落後於相同技術節點的矽基技術至少一個量級。
針對製備和提純,張志勇-彭練矛課題組在論文中採用多次聚合物分散和提純(Multiple-Dispersion Sorting Process)技術得到超高純度碳納米管溶液。
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高密度高純半導體碳納米管陣列的製備和表徵
接著,在排列方面,研究團隊提出結合維度限制自排列法(Dimension-Limited Self-Alignment),在4寸晶圓上製備出了密度120/微米、半導體純度高達99.99995%、直徑分佈1.45±0.23nm的碳納米管陣列,理論上達到了超大規模碳納米管集成電路的需求。
基於此種材料,課題組批量製備了場效應晶體管和環形振盪器電路,100納米柵長的碳基晶體管跨導和飽和電流分別達到0.9mS/μm和1.3mA/μm,室溫下亞閾值擺幅為90mV/dec;批量製備出了五階環形振盪器電路,成品率超過了50%,最高振盪頻率達到8.06GHz,遠超已發表的基於納米材料的電路,且首次超越相似尺寸的矽基CMOS器件和電路。
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高性能碳納米管晶體管
碳基集成電路剛起步
論文在結尾部分展望,未來需在更大尺寸(如8英寸晶圓)上應用,且需進一步提純。
張志勇向澎湃新聞透露,目前課題組實際已經實現了在8英寸晶圓上製備。這是一種可以量產的技術,且在快速成長。
在純度方面,目前碳納米管的半導體純度達到了99.9999%,但是對於極大規模集成電路應用來說,還需要再提升2-3個數量級。“進一步的提純會增加工藝步驟,降低產量,而且如何表徵這麼高的純度,都存在挑戰,需要採用工程的方法克服這些挑戰。”他說道。
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高性能碳納米管晶體管
張志勇認為,該成果首次在實驗上顯示了碳納米管器件和集成電路相對於傳統技術的性能優勢,為推進碳基集成電路的實用化發展走出第一步。
他表示,在加工技術沒有太高成熟度時,碳基芯片,可以作為矽基芯片的補充,增強矽基芯片的功能或者性能,或者用於某些特殊場合。一旦技術成熟,碳基芯片有可能發展出完整的應用領域,並在主流計算領域發揮重要影響。
論文第一作者為北京大學電子系博士研究生劉力俊和工程師韓傑,張志勇和彭練矛為文章的共同通訊作者,湘潭大學湖南省先進傳感與信息技術創新研究院、浙江大學、北京大學納光電子前沿科學中心等單位相關研究人員亦參與合作。
該研究得到國家重點研發計劃“納米科技”重點專項、北京市科學技術委員、國家自然科學基金委等項目資助。