近日，北京大學(xué)彭練矛院士/張志勇教授團(tuán)隊(duì)造出一款基于陣列碳納米管的 90nm 碳納米管晶體管，具備可以高度集成的能力。
圖 | 張志勇（來(lái)源：張志勇）
這意味著在 90nm 及以下技術(shù)節(jié)點(diǎn)的數(shù)字集成電路中，碳納米管半導(dǎo)體具備一定的應(yīng)用潛力，同時(shí)這也為進(jìn)一步探索全碳基集成電路提供了深入見(jiàn)解。
對(duì)于相關(guān)論文審稿人評(píng)價(jià)稱(chēng)：“研究人員展示了面積小于 1 平方微米的 6 管 SRAM 單元，是新型集成電路技術(shù)的里程碑。”
研究中，通過(guò)利用該團(tuán)隊(duì)此前研發(fā)的碳納米管陣列薄膜，以及借助縮減晶體管柵長(zhǎng)和源漏接觸長(zhǎng)度的手段，課題組制備出柵間距（CGP， contacted gate pitch）為 175nm 的碳納米管晶體管，其開(kāi)態(tài)電流達(dá)到 2.24mA/μm、峰值跨導(dǎo) gm 為 1.64mS/μm。相比 45nm 的硅基商用節(jié)點(diǎn)器件，該晶體管的性能更高。
（來(lái)源：Nature Electronics）
基于此，該團(tuán)隊(duì)根據(jù)業(yè)界的集成度標(biāo)準(zhǔn)，制備一款靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器單元（SRAM，Static Random-Access Memory），其整體面積僅有 0.976 平方微米，包含 6 個(gè)晶體管（6T）。
在主流的數(shù)字集成電路技術(shù)中，SRAM 單元面積是衡量實(shí)際集成密度的重要參數(shù)。盡管大量研究都曾演示過(guò)碳納米管或低維半導(dǎo)體材料的 6T SRAM，但是它們的單元面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于硅基 90nm 節(jié)點(diǎn)的 SRAM 單元，在集成度依然有待提高。
而該課題組首次采用非硅基的半導(dǎo)體材料，造出整體面積小于 1 平方微米的 6-T SRAM 電路，這表明碳基數(shù)字集成電路完全可以滿(mǎn)足 90nm 技術(shù)節(jié)點(diǎn)的集成度需求。
（來(lái)源：Nature Electronics）
在此基礎(chǔ)之上，該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步探索了碳基晶體管縮減的可能性，證明按照嚴(yán)格的工業(yè)門(mén)標(biāo)準(zhǔn)，完全可以將碳基晶體管縮減到亞 10nm 的技術(shù)節(jié)點(diǎn)。
考慮到低維半導(dǎo)體器件在接觸電阻的時(shí)候，會(huì)讓電阻隨著接觸長(zhǎng)度的縮減而出現(xiàn)急劇增大，這會(huì)讓器件的整體尺寸無(wú)法縮減。
為此，課題組提出全接觸的結(jié)構(gòu)，結(jié)合側(cè)面接觸和末端接觸的載流子注入機(jī)制，讓器件不僅表現(xiàn)出更低的接觸電阻，并能擁有更弱的接觸長(zhǎng)度依賴(lài)性。
基于全接觸的結(jié)構(gòu)，該團(tuán)隊(duì)嘗試將碳管晶體管 CGP 縮減至 55nm，這對(duì)應(yīng)著硅基晶體管中的 10nm 技術(shù)節(jié)點(diǎn)。與此同時(shí)，這款碳管晶體管的性能卻優(yōu)于基于硅基的 10nm 節(jié)點(diǎn)的 PMOS 晶體管。
（來(lái)源：Nature Electronics）
本次成果同時(shí)展示了碳納米管晶體管在性能和集成度上的優(yōu)勢(shì)，結(jié)合其工藝簡(jiǎn)單、低功耗以及適合單片三維集成的特點(diǎn)，將讓碳納米管晶體管技術(shù)在高性能數(shù)字集成電路領(lǐng)域中發(fā)揮重大優(yōu)勢(shì)，從而成為一種通用的芯片平臺(tái)技術(shù)，進(jìn)而有望用于高性能計(jì)算、人工智能、寬帶通信、智能傳感等領(lǐng)域。
據(jù)了解，集成電路的主要發(fā)展方式是通過(guò)縮減晶體管尺寸提高性能和集成度，同時(shí)降低功耗和制造成本。為了繼續(xù)推進(jìn)集成電路的發(fā)展，針對(duì)未來(lái)電子學(xué)的核心材料、器件結(jié)構(gòu)以及系統(tǒng)架構(gòu)，學(xué)界和業(yè)界進(jìn)行了廣泛探索和深入研究。
其中，最受關(guān)注的方式是：采用超薄、高載流子遷移率的半導(dǎo)體，來(lái)構(gòu)建包括二維半導(dǎo)體材料、一維半導(dǎo)體納米線和碳納米管等 CMOS（Complementary metal Oxide Semiconductor，互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）器件，這些器件比硅基晶體管具有更好的可縮減性和更高的性能。因此，一直以來(lái)人們使用這些器件來(lái)構(gòu)建納米晶體管。
目前，碳納米管晶體管已經(jīng)展現(xiàn)出超越商用硅基晶體管的潛力，在數(shù)字集成電路應(yīng)用中被寄予厚望。
然而，多數(shù)研究?jī)H僅關(guān)注器件的柵長(zhǎng)縮減，并未真正展現(xiàn)碳納米管晶體管在集成度上的潛力。而集成電路關(guān)注的主要技術(shù)指標(biāo)是多方面的，包括性能、功耗和集成度。
