北京大学实现千兆赫兹碳纳米管集成电路 推动了碳纳米管电子学的发展

集成电路芯片遵从摩尔定律，通过缩减晶体管尺寸，不断提升性能和集成度，成本得以降低；然而，进一步发展却受到来自物理极限、功耗和制造成本的限制，需要采用新兴信息器件技术支撑未来电子学的发展。碳纳米管被认为是构建亚10nm晶体管的理想材料；理论和实验研究均表明相较硅基器件而言，其具有5～10倍的本征速度和功耗优势，性能接近由量子测不准原理所决定的电子开关的极限，有望满足后摩尔时代集成电路的发展需求。但是，由于寄生效应较大，实际制备的碳管集成电路工作频率较低（一般在兆赫兹以下，1MHz=106Hz），比硅基互补金属氧化物半导体（CMOS）电路的工作频率（千兆赫兹，即吉赫兹，1GHz=103MHz=109Hz）低几个数量级。在国际商业机器公司（IBM）研究人员2017年8月发表的基于碳管阵列的环形振荡器的研究工作中，振荡频率达282MHz，仍远远低于预期。因此，大幅度提升碳纳米管集成电路的工作频率成为发展碳纳米管电子学的重要挑战。北京大学信息科学技术学院、纳米器件物理与化学教育部重点实验室彭练矛教授-张志勇教授团队在碳纳米管电子学领域潜心研究十几年，发展了一整套碳管CMOS技术，前期已实现亚10nm CMOS器件以及中等规模集成电路。日前，他们通过对碳管材料、器件结构/工艺和电路版图的优化，在世界上首次实现工作在千兆赫兹频率的碳管集成电路，有力推动了碳纳米管电子学的发展。团队首先通过优化碳管材料、器件结构和工艺，提升碳纳米管晶体管的跨导和驱动电流；对于栅长为120nm的晶体管，在0.8V的工作电压下，其开态电流和跨导分别达到0.55mA/μm和0.46mS/μm，其中跨导为已发表碳管器件的最高值。基于如此性能的器件，成功实现了五级环振，振荡频率达680MHz。而后，团队进一步优化器件结构，在源漏和栅之间引入空气侧墙，以减少源漏寄生电容；同时增加栅电阻的厚度，以减少寄生电阻，振荡频率达到2.62GHz。在此基础上，团队通过缩减碳管晶体管栅长和优化电路版图，将五级环振振荡频率进一步提升至5.54GHz，比此前发表的最高纪录（282MHz）提升了几乎20倍；而120nm栅长碳管器件的单级门延时仅为18ps，在没有采用多层互联技术的前提下，速度已接近同等技术节点的商用硅基CMOS电路。更为重要的是，该技术所采用的碳纳米管薄膜作为有源区材料，可实现高性能碳管环振电路的批量制备，且电路成品率为60%，环振的平均振荡频率为2.62GHz，表征差为0.16GHz，表现出较好的性能均一性。

《自然·电子学》官网截屏与文中描述的碳纳米管环形振荡电路：（a）五级环振电路扫描电镜照片；（b）5.54 GHz的碳管环振电路；（c）环振频率的统计直方图；（d）与其他碳管材料、二维材料和硅基环振的单级门延时对比。2017年12月11日，上述工作以题为《基于碳纳米管薄膜的千兆赫兹集成电路》（Gigahertz integrated circuits based on carbon nanotube films）的论文在线发表于《自然·电子学》（Nature Electronics, DOI:10.1038/s41928-017-0003-y），即将正式刊载于该期刊的创刊号，这也是北京大学在该期刊发表的首篇论文。信息学院2013级博士研究生仲东来为第一作者，张志勇教授和彭练矛教授为共同通讯作者。这项研究工作不仅极大推进了碳纳米管集成电路的发展，更表明基于现有的碳管材料，通过简单工艺已可能实现性能与商用单晶硅基CMOS性能相当的集成电路；如果采用更为理想的材料（例如高密度碳管平行阵列）和更高级的加工工艺，则有望推动碳纳米管技术在速度和功耗等方面全面超过硅基CMOS技术。该项研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市科技计划和建设世界一流大学（学科）和特色发展引导专项的资助。