SCIENCE丨碳纳米管应用于场效应晶体管研究的重大突破
作者：晁丹丹
集成电路芯片是现代信息技术的基石。现代电子芯片组成器件中约90%源于硅基互补金属氧化物半导体（CMOS）器件。然而，随着晶体管尺度的缩减，场效应晶体管（FET）的源漏电极之间载流子通道的物理长度已缩减至10nm以下。对于CMOS来说，器件的加工精度与掺杂的均匀度问题越发突出，进一步影响晶体管的电学性质和稳定性。这时，寻找新的替代材料迫在眉睫。
早在2007年，碳基纳电子学（包括碳纳米管和石墨烯）就被提出可能成为下一代电子技术。主要原因如下：（1）碳与硅为同一主族元素，具有很多相似的化学性质；（2）CNTs长度为几百纳米，器件中电子输运呈现完美的弹道结构，能量的利用率高；（3）超薄的导电通道，载流子的迁移率高，在小于10nm技术节点下，使得超尺度FET的短通道效应最小化；（4）优异的导热性能。然而，制备碳纳米管集成电路的前提是实现CNTs具有超高的半导体纯度、合适的密度、排布方向一致等条件，制造出符合要求的碳纳米管材料，是碳管电子学所面临的巨大挑战。
近日，有关碳纳米管应用于场效应晶体管的研究取得重大突破，并发表于顶级学术期刊《Science》。其中一篇工作是由北京大学张志勇教授-彭练矛教授课题组完成的，文章题目为《可应用高性能电子器件的高密度半导体碳纳米管阵列》。作者采用多次分散提纯技术获得半导体管超高的碳管溶液，并结合维度限制自排列法（dimension-limited self-alignment, DLSA），在四英寸基底上，制备出密度高达120 / 微米、半导体纯度超过99.9999%、直径分布1.45±0.23 nm 的碳纳米管平行阵列，这足以达到超尺度碳管集成电路的需求。
图1 大规模集成电路对碳管材料的要求
图2 高密度、高纯度半导体碳管阵列的制备和表征
在此材料的基础上，作者制备出长效应晶体管和环形振荡器电路，100 nm栅长碳管晶体管的峰值跨导和饱和电流分别达到0.9 mS/μm和1.3 mA/μm（VDD=1 V），室温下亚阈值摆幅为90 mV/DEC。
图3 高性能碳管晶体管
此外，作者还制备出的五阶环形振荡器电路，成品率超过50%，最高振荡频率8.06 GHz，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。
图4 碳管高速集成电路
一直以来，采用硅基材料的集成电路技术制备芯片的技术被国外厂家长期垄断。采用硅以外的材料做集成电路，一直是国外半导体行业竞相研究的技术。彭练矛教授已在碳基纳米电子学领域坚守了近20年，带领研究团队探究用碳纳米管材料制备集成电路的方法，一路披荆斩棘。他的这一成果，将为碳基半导体进入规模工业化奠定基础。
Aligned, high-density semiconducting carbon nanotube arrays for high-performance electronics. Lijun Liu*, Jie Han*, Lin Xu, Jianshuo Zhou, Chenyi Zhao, Sujuan Ding, Huiwen Shi,Mengmeng Xiao, Li Ding, Ze Ma, Chuanhong Jin, Zhiyong Zhang†, Lian-Mao Peng†. Science, 2020, 368, 850–856.
另外一项有关碳纳米管应用于场效应晶体管的研究工作是由哈佛大学的尹鹏教授团队完成，文章题目为《碳纳米管阵列在三维DNA纳米管沟槽内的精确缩放》。该课题组致力于工程信息指导的核酸结构与设备的自组装，进而将组装体系用于实际应用于成像、传感、诊断和治疗。
在该工作中，作者使用超分子组装方法精确制备出具有可控沟槽间距的三维DNA结构，通过利用空间阻碍作用及DNA杂交方法，使CNTs在其沟槽内进行精准排布，进而组装成单层碳纳米管电子集成。通过控制三维DNA纳米沟槽的间距，可控地调整碳纳米管之间的间距（24.1-10.4 nm），构建了间距小于10.4 nm、角度偏差小于2°，且组装产率大于95%的平行碳纳米管阵列。
图5 空间阻碍纳米电子管的集成设计示意图
图6 CNTs间距为24 nm的组装阵列
图7 在DNA模板上可控调整CNTs间距
该团队利用核酸分子的可编程性，制备出三维DNA模板，从而实现了间距可控的CNIs管阵列的均匀排列。从生物分子的角度，为CNTs阵列应用于场效应晶体管提供了另外一种可能。
Precise pitch-scaling of carbon nanotube arrays within three-dimensional DNA nanotrenches. Wei Sun*†, Jie Shen†, Zhao Zhao†, Noel Arellano, Charles Rettner, Jianshi Tang,Tianyang Cao, Zhiyu Zhou, Toan Ta, Jason K. Streit, Jeffrey A. Fagan, Thomas Schaus,Ming Zheng, Shu-Jen Han, William M. Shih, Hareem T. Maune, Peng Yin*.Science,2020, 368, 874–877.
