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澎湃新闻北大排列高密度半导体碳纳米管，电子学性能超同尺寸硅基器件

半导体碳纳米管首次在真实电子学表现上超越相似尺寸的硅基CMOS器件和电路 。
5月22日 ， 北京大学电子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-彭练矛课题组在世界顶级学术期刊《科学》（Science）上发表论文 ， 题为《基于高密度半导体阵列碳纳米管的高性能电子学”》（Aligned, high-density semiconducting carbon nanotube arrays for high-performance electronics） 。 【澎湃新闻北大排列高密度半导体碳纳米管，电子学性能超同尺寸硅基器件】
论文描述在4英寸基底上制备了高密度高纯半导体阵列碳纳米管材料 ， 突破了碳纳米管集成电路关键的材料瓶颈 。 张志勇对****表示 ， 该研究团队目前实际已经可以在8英寸晶圆上制备这种碳管 ， 并开发了全自动的提纯和组装设备 ， 完全具备量产的技术积累 。
澎湃新闻北大排列高密度半导体碳纳米管，电子学性能超同尺寸硅基器件
本文插图

大规模集成电路对碳管材料的要求
新材料对抗“短沟道效应”
尺寸堪比细胞的晶体管是搭建芯片的基础“砖块” 。 目前 ， 电子行业所设计的逻辑电路最主流的是互补性金属氧化物半导体（CMOS）技术 ， 由P型和N型MOS晶体管组合而成 。 其中 ， 连接源区和漏区 ， 称作“沟道”的一层薄半导体非常重要 。
根据“摩尔定律”的著名描述 ， 当价格不变时 ， 集成电路上可容纳的元器件数目约每隔18-24个月便会增加一倍 ， 性能也提升一倍 。 而CMOS晶体管一旦缩减到亚10nm技术节点 ， 沟道长度随之缩短 ， 就会出现“短沟道效应” ， 失去部分器件功能 。
因此 ， 科学家们正在探索用新结构或新材料来解决这一问题 ， 进一步提升器件能量利用效率 。
在诸多的新型半导体材料中 ， 半导体碳纳米管引起了部分关注：它具有超高的电子和空穴迁移率、原子尺度的厚度、以及稳定的结构 ， 是构建高性能CMOS器件的理想沟道材料 。
张志勇-彭练矛课题组2017年就曾在《科学》上发文表明 ， 根据前期实验结果 ， 碳纳米管CMOS晶体管采用平面结构即可缩减到5nm栅长 ， 且相较于同等栅长的硅基CMOS器件有10倍的本征性能功耗综合优势 。
不过 ， 要兑现这种实验上的潜力 ， 还需要制备、提纯、排列材料方面的技术基础 。
制备、提纯与排列
碳纳米管是一种由呈六边形排列的碳原子构成的多层圆管 。 长期以来碳纳米管集成电路的发展一直受到材料问题的制约 ， 关键是要实现超高半导体纯度、顺排、高密度、大面积均匀 。
所谓超高半导体纯度、高密度 ， 具体指标是半导体纯度超过99.9999%、密度达到100-200每微米 。
尽管过去20年里 ， 学术界发展了多种制备、提纯、排列碳纳米管的方法 ， 但是始终无法接近这个目标 。 这使得碳纳米管晶体管和电路的实际性能远低于理论预期 ， 甚至落后于相同技术节点的硅基技术至少一个量级 。
针对制备和提纯 ， 张志勇-彭练矛课题组在论文中采用多次聚合物分散和提纯（Multiple-Dispersion Sorting Process）技术得到超高纯度碳纳米管溶液 。
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高密度高纯半导体碳纳米管阵列的制备和表征
接着 ， 在排列方面 ， 研究团队提出结合维度限制自排列法（Dimension-Limited Self-Alignment） ， 在4寸晶圆上制备出了密度120/微米、半导体纯度高达99.99995%、直径分布1.45±0.23nm的碳纳米管阵列 ， 理论上达到了超大规模碳纳米管集成电路的需求 。
基于此种材料 ， 课题组批量制备了场效应晶体管和环形振荡器电路 ， 100纳米栅长的碳基晶体管跨导和饱和电流分别达到0.9mS/μm和1.3mA/μm ， 室温下亚阈值摆幅为90mV/dec；批量制备出了五阶环形振荡器电路 ， 成品率超过了50% ， 最高振荡频率达到8.06GHz ， 远超已发表的基于纳米材料的电路 ， 且首次超越相似尺寸的硅基CMOS器件和电路 。


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