北大彭練矛-張志勇Science重磅：首次實現5nm碳納米管CMOS器件 打破傳統硅基極限

【引語】

傳統硅基互補金屬-氧化物半導體（CMOS）技術在次10納米技術節點正逐漸接近其性能極限，后續由于來自物理定律和制造成本的限制，性能難以繼續提升。而基于半導體單壁碳納米管（s-SWCNT）的 場效應晶體管（FETs）工藝正逐步接近次10納米技術節點，由于其具有納米維度尺寸、高遷移率和高穩定性等優點，從理論上講，碳納米管比硅材料以及其他傳統半導體材料（Ge 和InGaAs等）具有更好的尺寸性質，在CMOS-FETs應用方面具有更好的開態性能，是有望替代硅材料的“候選者”。而目前為止，基于碳納米管的CMOS FETs在50納米柵長和20納米圍柵尺寸，均優于硅基CMOS-FETs。而次10納米碳納米管的CMOS FET由于工藝和技術原因尚未有報道。

【成果簡介】

北京大學彭練矛和張志勇（共同通訊作者）等人制備了10納米柵長（對應5納米技術節點）的頂柵碳納米管場效應晶體管，在相同尺寸下，其性能已經超越硅基互補金屬-氧化物半導體（CMOS）FETs。通過對柵長尺寸縮小影響器件性能的研究發現，相比硅基器件，使用石墨烯接觸的碳納米管場效應晶體管表現出更優的性能，包括更快的響應速度、更低的驅動電壓（碳納米管0.4 V，硅0.7 V）、亞閾值擺幅更小（73 mV/decade）。p型和n型器件的亞閾值擺幅均為70 mV/DEC（DEC表示倍頻程）；器件性能不僅遠遠超過已發布的所有碳管器件，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節點）；特別是碳管CMOS晶體管本征門延時僅0.062 ps，相當于14 nm硅基CMOS器件（0.22 ps）的1/3。5納米CNT FETs已經接近場效應晶體管的量子極限，實現場效應晶體管的單電子開關操作。與此同時，課題組研究接觸尺寸縮減對器件性能的影響，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，實現了整體尺寸為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，這是目前所實現的最小的納米反相器電路。

【圖文導讀】

圖1 10-nm CNT CMOS FETs的結構和性能

A、P型、N型和柵堆疊型碳管晶體管截面透射電鏡圖，柵長10納米，溝道長度20納米；B、轉移特性曲線；C-D 10納米柵長CNT CMOS FETs和商業硅基CMOS晶體管（英特爾14納米-黑色實線、22納米-棕色實線）的輸出特性比較。

圖2 5-nm CNT FETs的結構和性能

A、常規Pd-接觸的CNT FET（上）和石墨烯接觸（下）的CNT FET的SEM圖像；B、石墨烯接觸CNT FET的結構示意圖；C、石墨烯接觸CNT FET在開態和關態時的能帶結構示意圖；D、三個典型石墨烯接觸CNT FET的轉移特征曲線，柵長10納米，亞閾值擺幅為60 mV/decade；E、三個典型石墨烯接觸CNT FET的轉移特征曲線，柵長5納米，亞閾值擺幅為73 mV/decade.

圖3 CNT CMOS FETs和傳統硅基CMOS FET的性能對比

A、不同的次100納米CNT FET的器件開態電流比較；B、CNT FET和Si FET的亞閾值擺幅和柵極尺寸的關系；C-D、相比Si MOS FET，CNT CMOS FET的EDP和響應延遲與柵極尺寸的關系；E、10納米n型CNT FET（綠色線）和14納米n型Si FET（橘黃色線）的開關比和柵極延遲的關系；F、10納米柵長和25納米接觸長度的器件結構。

圖4 接觸長度依賴關系的CNT CMOS FET的性能研究

A、接觸長度分別為100，60和25納米的CNT n型FET的轉移特征曲線（源漏電壓為0.1V時）；B、p型（藍星）和N型（橄欖色）CNT FET的接觸電阻和柵極尺寸的關系；C、CNT CMOS反相器的SEM圖像；CNT CMOS反相器的轉移特征曲線。

【小結】

該研究成果不僅表明在10 nm以下的技術節點，碳納米管CMOS器件較硅基CMOS器件具有明顯優勢，且有望達到由測不準原理和熱力學定律所決定的二進制電子開關的性能極限，更展現出碳納米管電子學的巨大潛力，為2020年之后的集成電路技術發展和選擇提供了重要參考。

【文獻鏈接】

Scaling carbon nanotube complementary transistors to 5-nm gate lengths（Science, 2017, DOI: 10.1126/science.aaj1628）

本文由材料人編輯部靈寸供稿，材料牛編輯整理。

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