硅基商用晶体管尺寸的缩减伴随着物理极限、功耗、成本等多重挑战。新原理、新结构、新材料器件亟需引入，以满足集成电路对集成度和算力的需求。半导体型阵列碳纳米管（A-CNT）具有高载流子迁移率、超薄体、对称的能带结构，基于此材料制备出的互补金属氧化物半导体场效应晶体管（CMOS FET）展示出几乎对称的电学性能（Science 368, 850, 2020; Nature Electronics 4, 405, 2021; ACS Nano 16, 21482, 2022），90 nm节点A-CNT FET的性能超越了硅基28 nm节点器件，并展现出进一步缩减至10 nm节点的潜力（Nature Electronics 6, 506-515, 2023）,是构建未来集成电路的理想器件。实现碳基集成电路技术从原型器件到工程化集成的跨越，需要晶圆级高质量的半导体碳纳米管材料。经过了30余年的发展，学术界已经发展了体系丰富的碳纳米管材料制备技术，然而，目前电子级碳纳米管材料，特别是A-CNT材料，一直缺乏具体要求和标准，在一定程度上阻碍了碳基集成电路的发展。
近日，北京大学电子学院、碳基电子学研究中心张志勇教授课题组与浙江大学材料科学与工程学院金传洪教授课题组合作，从高性能电子器件和集成电路角度，对A-CNT材料进行深入研究与系统分析，提出了精细的要求和标准。通过实验结果结合理论计算，团队对90 nm、22 nm、7 nm、3 nm技术节点的A-CNT FET的电学性能进行预测，并基于未来集成电路对晶体管性能的要求，提出对阵列碳纳米管密度的要求（图1 a）。研究结果表明，相同节点下，A-CNT CMOS器件相比于硅基CMOS器件展现出4-6倍的能量延时积（EDP）优势（图1 b），凸显了其在未来高性能数字集成电路中的应用潜力。团队进一步对目前A-CNT中存在的形貌缺陷进行表征（图2 a-e），讨论各形貌缺陷对晶体管电学性能波动的影响，并结合集成电路对器件均一性的要求，对碳管形貌提出要求（图2 f-k）。在此基础上，提出了电子级A-CNT材料的标准（表1），包括碳管密度、直径、长度、半导管纯度、取向、相邻管间距变化等关键参数，并展望了未来碳基集成电路技术和材料的协同优化路线（图3），对目前学术界发展的几种典型A-CNT制备方式进行了综合评估（图4），为电子级A-CNT材料的制备技术发展提供了重要指导。
图 1：阵列碳纳米管密度要求、晶体管性能对比
图 2：阵列碳纳米管形貌缺陷与材料均一性要求
表 1：高性能集成电路用阵列碳纳米管材料标准
图 3：碳基集成电路材料、技术发展路线图
图 4：阵列碳纳米管制备方式评估
相关研究成果以题为“用于未来集成电路应用的碳纳米管材料”（Carbon nanotube materials for future integrated circuit applications）的论文，于8月6日在线发表于材料领域顶级期刊《Materials Today》。北京大学电子学院2022级博士研究生昃雨萌为第一作者，北京大学电子学院张志勇教授和浙江大学材料科学与工程学院金传洪教授为共同通讯作者。
论文原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.mattod.2024.07.008
来源：PKU电子学人
