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集成電路發(fā)展的基本方式在于，在晶體管尺寸縮減的前提下，研制性能更強(qiáng)大、集成度更高、功能更復(fù)雜的芯片。目前，主流CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）技術(shù)將達(dá)到10 nm（納米）的技術(shù)節(jié)點(diǎn)，后續(xù)由于受到來自物理規(guī)律和制造成本的限制而很難繼續(xù)提升，“摩爾定律”可能面臨終結(jié)。20多年來，科學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界一直在探索各種新材料和新原理的晶體管技術(shù)，以期替代硅基CMOS技術(shù)，然而迄今為止，尚未實(shí)現(xiàn)10 nm新型CMOS器件，也沒有新型器件能夠在性能上真正超越最好的硅基CMOS器件。

碳納米管被認(rèn)為是構(gòu)建亞10 nm晶體管的理想材料，其原子量級(jí)的管徑保證器件具有優(yōu)異的柵極靜電控制能力，更容易克服短溝道效應(yīng)；超高的載流子遷移率則保證器件具有更高的性能和更低的功耗。理論研究表明，碳管器件相對(duì)于硅基器件來說，在速度和功耗方面具有5～10倍的優(yōu)勢(shì)，有望滿足“后摩爾時(shí)代”集成電路的發(fā)展需求。可是，2014年國際商用機(jī)器公司（IBM）所實(shí)現(xiàn)的最小碳管CMOS器件僅停滯在20 nm柵長，性能也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于預(yù)期。

北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院、納米器件物理與化學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室彭練矛-張志勇教授課題組在碳納米管電子學(xué)領(lǐng)域進(jìn)行了十多年的研究，發(fā)展了一整套高性能碳管CMOS晶體管的無摻雜制備方法，通過控制電極功函數(shù)來控制晶體管的極性。

近年來，課題組通過優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)和制備工藝，首次實(shí)現(xiàn)了柵長為10 nm的碳管頂柵CMOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管（對(duì)應(yīng)5 nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)），p型和n型器件的亞閾值擺幅均為70 mV/DEC（DEC表示倍頻程）；器件性能不僅遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過已發(fā)布的所有碳管器件，并且在更低的工作電壓（0.4 V）下p型和n型晶體管的工作性能均超過了目前最好的硅基CMOS器件在0.7 V電壓下的性能（英特爾公司的14 nm節(jié)點(diǎn)）；特別是碳管CMOS晶體管本征門延時(shí)僅0.062 ps，相當(dāng)于14 nm硅基CMOS器件（0.22 ps）的1/3。隨后，課題組進(jìn)一步探索5 nm柵長（對(duì)應(yīng)3 nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)）的碳管，采用石墨烯作為碳管晶體管的源漏接觸，有效地抑制了短溝道效應(yīng)和源漏直接隧穿，從而制備出了5 nm柵長的高性能碳管晶體管，器件亞閾值擺幅達(dá)到73 mV/DEC。在此基礎(chǔ)上，課題組全面比較了碳管CMOS器件的優(yōu)勢(shì)和性能潛力。研究表明，與相同柵長的硅基CMOS器件相比，碳管CMOS器件具有10倍左右的速度和動(dòng)態(tài)功耗（能耗延時(shí)積）的綜合優(yōu)勢(shì)以及更好的可縮減性。通過分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，5 nm柵長的碳管器件開關(guān)轉(zhuǎn)換僅有約1個(gè)電子參與，并且門延時(shí)達(dá)到42 fs，非常接近二進(jìn)制電子開關(guān)器件的極限（40 fs）——該極限由海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理和香農(nóng)-馮諾伊曼-朗道定律所決定；也就是說，5 nm柵長的碳管晶體管已接近電子開關(guān)的物理極限。

與此同時(shí)，課題組也研究接觸尺寸縮減對(duì)器件性能的影響，探索器件整體尺寸的縮減，將碳管器件的接觸電極長度縮減至25 nm，在保證器件性能的前提下，實(shí)現(xiàn)了整體尺寸為60 nm的碳管晶體管，并且成功演示了整體長度為240 nm的碳管CMOS反相器，這是目前所實(shí)現(xiàn)的最小的納米反相器電路。

 

  

碳管CMOS器件與傳統(tǒng)半導(dǎo)體器件的比較（A、基于碳管陣列的場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)示意圖，B～D、碳管CMOS器件與傳統(tǒng)材料晶體管的比較）

該工作于2017年1月20日在線發(fā)表于《科學(xué)》（Science，鏈接：http://science.sciencemag.org/content/355/6322/271，DOI: 10.1126/science.aaj1628）。信息學(xué)院博士后邱晨光為第一作者，張志勇、彭練矛為共同通訊作者。研究成果不僅表明在10 nm以下的技術(shù)節(jié)點(diǎn)，碳納米管CMOS器件較硅基CMOS器件具有明顯優(yōu)勢(shì)，且有望達(dá)到由測(cè)不準(zhǔn)原理和熱力學(xué)定律所決定的二進(jìn)制電子開關(guān)的性能極限，更展現(xiàn)出碳納米管電子學(xué)的巨大潛力，為2020年之后的集成電路技術(shù)發(fā)展和選擇提供了重要參考。

以上研究得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、重大科學(xué)研究計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金（優(yōu)秀青年科學(xué)基金、創(chuàng)新研究群體）、北京市科技計(jì)劃、北京大學(xué)“中央高校建設(shè)世界一流大學(xué)（學(xué)科）和特色發(fā)展引導(dǎo)專項(xiàng)”等資助。