国产5nm碳纳米管研究新突破
发布时间：2021-03-01 来源：文档文库
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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 。
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