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集成電路發(fā)展的基本方式在于，在晶體管尺寸縮減的前提下，研制性能更強大、集成度更高、功能更復雜的芯片。目前，主流CMOS（互補金屬氧化物半導體）技術將達到10 nm（納米）的技術節(jié)點，后續(xù)由于受到來自物理規(guī)律和制造成本的限制而很難繼續(xù)提升，“摩爾定律”可能面臨終結。20多年來，科學界和產業(yè)界一直在探索各種新材料和新原理的晶體管技術，以期替代硅基CMOS技術，然而迄今為止，尚未實現(xiàn)10 nm新型CMOS器件，也沒有新型器件能夠在性能上真正超越最好的硅基CMOS器件。

碳納米管被認為是構建亞10 nm晶體管的理想材料，其原子量級的管徑保證器件具有優(yōu)異的柵極靜電控制能力，更容易克服短溝道效應；超高的載流子遷移率則保證器件具有更高的性能和更低的功耗。理論研究表明，碳管器件相對于硅基器件來說，在速度和功耗方面具有5～10倍的優(yōu)勢，有望滿足“后摩爾時代”集成電路的發(fā)展需求�？墒�，2014年國際商用機器公司（IBM）所實現(xiàn)的最小碳管CMOS器件僅停滯在20 nm柵長，性能也遠遠低于預期。

北京大學信息科學技術學院、納米器件物理與化學教育部重點實驗室彭練矛-張志勇教授課題組在碳納米管電子學領域進行了十多年的研究，發(fā)展了一整套高性能碳管CMOS晶體管的無摻雜制備方法，通過控制電極功函數(shù)來控制晶體管的極性。

近年來，課題組通過優(yōu)化器件結構和制備工藝，首次實現(xiàn)了柵長為10 nm的碳管頂柵CMOS場效應晶體管（對應5 nm技術節(jié)點），p型和n型器件的亞閾值擺幅均為70 mV/DEC（DEC表示倍頻程）；器件性能不僅遠遠超過已發(fā)布的所有碳管器件，并且在更低的工作電壓（0.4 V）下p型和n型晶體管的工作性能均超過了目前最好的硅基CMOS器件在0.7 V電壓下的性能（英特爾公司的14 nm節(jié)點）；特別是碳管CMOS晶體管本征門延時僅0.062 ps，相當于14 nm硅基CMOS器件（0.22 ps）的1/3。隨后，課題組進一步探索5 nm柵長（對應3 nm技術節(jié)點）的碳管，采用石墨烯作為碳管晶體管的源漏接觸，有效地抑制了短溝道效應和源漏直接隧穿，從而制備出了5 nm柵長的高性能碳管晶體管，器件亞閾值擺幅達到73 mV/DEC。在此基礎上，課題組全面比較了碳管CMOS器件的優(yōu)勢和性能潛力。研究表明，與相同柵長的硅基CMOS器件相比，碳管CMOS器件具有10倍左右的速度和動態(tài)功耗（能耗延時積）的綜合優(yōu)勢以及更好的可縮減性。通過分析實驗數(shù)據(jù)可以看出，5 nm柵長的碳管器件開關轉換僅有約1個電子參與，并且門延時達到42 fs，非常接近二進制電子開關器件的極限（40 fs）——該極限由海森堡測不準原理和香農-馮諾伊曼-朗道定律所決定；也就是說，5 nm柵長的碳管晶體管已接近電子開關的物理極限。

與此同時，課題組也研究接觸尺寸縮減對器件性能的影響，探索器件整體尺寸的縮減，將碳管器件的接觸電極長度縮減至25 nm，在保證器件性能的前提下，實現(xiàn)了整體尺寸為60 nm的碳管晶體管，并且成功演示了整體長度為240 nm的碳管CMOS反相器，這是目前所實現(xiàn)的最小的納米反相器電路。

 

  

碳管CMOS器件與傳統(tǒng)半導體器件的比較（A、基于碳管陣列的場效應晶體管結構示意圖，B～D、碳管CMOS器件與傳統(tǒng)材料晶體管的比較）

該工作于2017年1月20日在線發(fā)表于《科學》（Science，鏈接：http://science.sciencemag.org/content/355/6322/271，DOI: 10.1126/science.aaj1628）。信息學院博士后邱晨光為第一作者，張志勇、彭練矛為共同通訊作者。研究成果不僅表明在10 nm以下的技術節(jié)點，碳納米管CMOS器件較硅基CMOS器件具有明顯優(yōu)勢，且有望達到由測不準原理和熱力學定律所決定的二進制電子開關的性能極限，更展現(xiàn)出碳納米管電子學的巨大潛力，為2020年之后的集成電路技術發(fā)展和選擇提供了重要參考。

以上研究得到國家重點研發(fā)計劃、重大科學研究計劃、國家自然科學基金（優(yōu)秀青年科學基金、創(chuàng)新研究群體）、北京市科技計劃、北京大學“中央高校建設世界一流大學（學科）和特色發(fā)展引導專項”等資助。