高性能碳纳米管晶体管研究取得的新成果:突破碳管电子学发展的瓶颈

5月22日,新闻从北京大学了解到,当日,该校信息学院电子学系研究员孙伟课题组基于DNA模板的高性能碳纳米管晶体管研究取得的新成果,以及同系张志勇-彭练矛课题组在用于高性能电子学的高密度半导体阵列碳纳米管研究中取得的新成果双双在线发表于美国《科学》杂志。

前一研究成果具有实现基于生物模板的大规模电子器件的潜力,同时也可应用于未来的生物传感器与驱动器。

后一研究成果突破了长期以来阻碍碳管电子学发展的瓶颈,首次在实验上显示出碳管器件和集成电路较传统技术的性能优势,为推进碳基集成电路的实用化发展奠定了基础。

新成果1:可用于未来生物传感器与驱动器

生物自组装结构具有精细的三维形貌,其关键结构参数小于光刻等传统纳米加工手段的分辨率极限。利用自组装生物分子作为加工模板,目前已实现金属材料、碳基材料、氧化物材料的可控形貌合成。然而,基于生物模板的电学器件的性能往往远落后于通过蚀刻或薄膜方法制备的同类器件,且缺乏长程取向规整性,因而制约了生物模板在高性能器件中的应用。

为此,北大信息科学技术学院电子学系/北大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孙伟课题组与厦门大学朱志教授课题组、清华大学唐建石研究员课题组、美国国家标准与技术研究院郑明博士合作,探索了生物-碳纳米管复合界面及大面积取向排列的调控新方法。

孙伟等以组装于脱氧核糖核酸(DNA)模板的平行碳纳米管阵列作为模型体系,研究界面生物分子组成对器件性能的影响,开发了一种基于固定-洗脱策略的界面工程方法,在不改变碳管排列的基础上,有效去除界面处的金属离子及生物分子等杂质。

经过界面工程,基于生物模板的碳管阵列晶体管显示了良好的开态性能和快速的电流开关切换,从而展现出高精准度生物模板在高性能晶体管领域的应用潜力。基于空间限域效应,他们还发展了阵列取向排列的新方法,探讨了决定取向排列精准度的关键因素。

在高性能电子器件和生物分子自组装的交叉领域上,这一方法具有实现基于生物模板的大规模电子器件的潜力。进一步结合光刻技术与嵌段共聚物定向组装技术,高分辨生物制造可用于构建大面积、小尺寸的高性能电子设备;同时,结合电学特性与生物响应特性的高性能电子-生物融合器件也可应用于未来的生物传感器与驱动器。

5月22日,相关研究成果以《核酸引导的高性能碳纳米管晶体管的制备》为题发表。北大电子学系2018级博士研究生赵梦宇为第一作者,厦大化学化工学院2016级博士研究生陈雅鸿为共同第一作者,孙伟和朱志为通讯作者。

新成果2:突破碳管电子学发展的瓶颈

集成电路的发展要求互补金属氧化物半导体(CMOS)晶体管在持续缩减尺寸的同时提升性能,降低功耗。随着主流CMOS集成电路缩减到亚10 nm技术节点,采用新结构或新材料对抗场效应晶体管中的短沟道效应、进一步提升器件能量利用效率变得愈加重要。

在诸多新型半导体材料中,半导体碳纳米管是构建高性能CMOS器件的理想沟道材料。已公开的理论计算和实验结果均表明,碳管CMOS晶体管采用平面结构即可缩减到5nm栅长,且较同等栅长的硅基CMOS器件具有10倍的本征性能-功耗综合优势。

碳纳米管集成电路批量化制备的前提是实现超高半导体纯度、顺排、高密度、大面积均匀的碳纳米管阵列薄膜。长期以来,材料问题的制约导致碳管晶体管和集成电路的实际性能远低于理论预期,甚至落后于相同节点的硅基技术至少一个数量级,因而成为碳管电子学领域所面临的最大的技术挑战。

对此,与孙伟同实验室的北大张志勇教授-彭练矛教授课题组发展全新的提纯和自组装方法,制备高密度高纯半导体阵列碳纳米管材料,并在此基础上首次实现了性能超越同等栅长硅基CMOS技术的晶体管和电路,展现出碳管电子学的优势。

该课题组采用多次聚合物分散和提纯技术得到超高纯度碳管溶液,并结合维度限制自排列法,在4英寸基底上制备出密度为120/μm、半导体纯度高达99.99995%、直径分布在1.45±0.23 nm的碳管阵列,从而达到超大规模碳管集成电路的需求。

基于这种材料,批量制备出场效应晶体管和环形振荡器电路,100nm栅长碳管晶体管的峰值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;批量制备出五阶环形振荡器电路,成品率超过50%,最高振荡频率8.06GHz远超已发表的基于纳米材料的电路,且超越相似尺寸的硅基CMOS器件和电路。

该项工作突破了长期以来阻碍碳管电子学发展的瓶颈,首次在实验上显示出碳管器件和集成电路较传统技术的性能优势,为推进碳基集成电路的实用化发展奠定了基础。

5月22日,相关研究成果以《用于高性能电子学的高密度半导体碳纳米管平行阵列》为题发表。北大电子学系2015级博士研究生刘力俊和北京元芯碳基集成电路研究院工程师韩杰为并列第一作者,张志勇和彭练矛为共同通讯作者。

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