Nano Lett. 高度一致的碳納米管場效應晶體管和中等規模集成電路

lyh_wv 7年前 (2016-08-06) 4122瀏覽

碳納米管(CNTs)具有高速、低功耗等方面的優點，被認為是最佳的構建場效應晶體管溝道材料。在過去的十五年中，碳納米管(CNTs)納米電子器件的研究主要集中于兩個方向：一是器件的探索，也就是探索新器件、物理原理、制造方式以及性能和結構的優化；另一個是IC方向，也就是探索采用碳納米管制備的各種簡單的IC元器件。然而，碳納米管集成電路通常面臨著低集成密度的明顯不足，而集成度太低會限制集成電路的功能以及實際的運用。另外，碳納米管集成電路還具有產量低、非理想的邏輯輸出、需要供應高電壓或甚至多電壓、只能進行簡單的功能等缺陷。總的來說，碳納米管集成電路集成度和性能的問題主要來自于材料和制備的過程，而大多數的關于碳納米管電子器件研究都集中于器件性能，而不是一致性，這明顯阻礙了其發展。

北京大學信息科學技術學院物理電子研究所的張志勇教授和彭練矛教授（共同通訊作者）采用溶液法制備碳納米管，并制造了基于碳納米管網絡薄膜的頂柵p型場效應晶體管。這種碳納米管頂柵場效應晶體管展示出高產率、高度一致的性能。根據場效應管的特性，設計出來各種邏輯計算門、轉換器和D-LATCH電路，并通過軌對軌輸出進行了驗證。尤其是驗證了由140個p型碳納米管場效應晶體管組成的4位加法器具有更高的集成度和更低的電源電壓。另外，首次實現了2位乘法器。得益于碳納米管場效應晶體管高均勻性和合適的閾值電壓，所有基于碳納米管場效應晶體管的電路可以由2 V的電壓驅動。

【圖文注釋】
圖1、基于碳納米管薄膜的頂柵極場效應晶體管的結構與性能。

（a）、沉積在Si/SiO2襯底上的碳納米管網絡的SEM圖。插圖為所制造的頂柵極器件的SEM圖；（b）、一個典型的頂柵場效應管的傳輸特性，偏壓Vds=-1V；（c）、與（b）中相對應的場效應晶體管的輸出曲線；（d）、120個器件的轉移曲線。

圖2、不同測試條件下，120個碳納米管薄膜晶體管的關鍵性能數據。

（a）、工作電壓分別為Vds=-1V和-2V，120個器件的轉移曲線；（b）、通態電流Ion的統計分布直方圖，Ion定義為Vgs = Vds = ?VDD時的電流；（c）、Ion/Ioff的統計分布直方圖，Ion定義為Vds = ?VDD時的電流，Ioff定義為Vgs =0時的電流；（d）、SS的統計分布直方圖；（e）、Vth的統計分布直方圖。平均值為-0.7v，標準偏差為34mv。（f）、不同掃描Vgs方向，在Vds = ?2 V下測試的典型碳納米管場效應晶體管的轉移曲線。插圖為120個碳納米管場效應晶體管遲滯電壓值的統計分布直方圖。

圖3、由碳納米管場效應晶體管制造的最簡單的集成電路測試。

（a）、碳納米管反相器的電路設計（左邊）和SEM圖（右邊），比例尺為5um。（b）、一個典型的VTC和反相器的增益特性。插圖：VTC（綠色實線）與其鏡像曲線（紅色虛線）。“眼睛”形狀的區域表示反相器的噪聲容限。（c）、VTCs和（d）25個反相器器件的增益統計分布直方圖。（e）、電路圖和一個21級環形振蕩器的SEM圖。（f）、頻率的倒數與不同環振子的階段數圖。插圖：21級環形振蕩器的輸出波形。

圖4、由碳納米管p型晶體管制造的多種邏輯電路元器件。

（a）、與非門（NAND）、或非門(NOR)、異或門（XOR）電路圖（上方）和異或門（XOR）的光學圖像。與（AND）,或（ OR）, 異或非（XNOR）門是分別通過在與非（NAND）、或非(NOR)、異或（XOR）門的輸出末端加入一個反相器實現的。（b）、與（AND）, 或非（NAND）, 或（OR）,或非(NOR),異或（XOR）,異或非（XNOR）六種邏輯門的輸出波形，A,B為對應的輸入。（c）、兩種函數控制的轉換器的輸入和輸出波形：通過（設置（H1，H2，H3）為（1,0,0）或（0,0,1）），然后轉換（設置（H1，H2，H3）為（0,1,0））。（d）D-LATCH的電路設計（上方）和光學圖像（下方）。（e）D-LATCH電路的輸出和輸入波形。