ACS Nano：高性能互補晶體管及基于碳納米管的中等規模集成電路

【引言】

由于碳納米管（CNT）出色的電學及機械性能，因此碳納米管薄膜被認為是制作場效應晶體管（FETs）溝道和集成電路（ICs）極具希望的材料，尤其是在柔性、透明和瞬時電子器件等特殊的應用場景中。材料和器件制作技術的發展已經使利用高質量CNT薄膜批量生產具備高度均勻性和高產率的FETs成為可能，多種集成電路的制作也已經證明了這一點。然而，目前大部分ICs都僅僅基于p-型FET進行設計。眾所周知，結合p-型和n-型FET的互補金屬氧化物半導體（CMOS）由于其較低的靜電功耗和較高的噪聲容限已經成為了現代ICs最普遍的電路范例，同時，CMOS也是CNT薄膜電子器件優先的電路選擇。但是，基于CNT網絡薄膜制作穩定、高效的n-型FET仍然極具挑戰，這也阻礙了基于CNT薄膜的CMOS ICs的發展。

【成果簡介】

近日，來自北京大學的彭練矛教授和張志勇教授（共同通訊）等人在ACS Nano上發表了題為“High-Performance Complementary Transistors and Medium-Scale Integrated Circuits Based on Carbon Nanotube Thin Films”的文章，研究了高性能的互補晶體管和基于碳納米管薄膜的中等規模集成電路。

液相法制備的碳納米管網絡薄膜具備很高的半導體純度，是在晶圓尺度上制作FETs和ICs的理想材料，但是這卻受制于高效CMOS在薄膜上的實現。本文發展了一種制作CNT網絡薄膜基CMOS FETs的無摻雜法，即通過使用Sc或Pd控制FETs的極性，并將其作為源/漏接觸選擇性地把載流子注入到溝道中。制作出的頂柵CMOS FETs在n-型和p-型特性間表現出了高度的對稱性，并且具有優異的可擴展性，其柵極長度可達1μm。實驗所得的ICs由于CMOS電路較高的噪聲容限實現了軌到軌的輸出，其中，由132個CMOS FETs組成的4比特全加器實現了100%的產率。

【圖文導讀】

圖1 基于CNT薄膜的互補FETs的特性

（a）基于CNT網絡薄膜的CMOS FETs的示意圖

（b）柵極長度和溝道寬度分別為5μm和25μm的p-FET（藍色曲線）和n-FET（紅色曲線）的傳輸特性

（c）p-FET（藍線）和n-FET（紅線）的輸出特性

（d）打開和關閉狀態下p-FET和n-FET的能帶圖

（e）柵極長度和溝道寬度分別為5μm和25μm的CMOS FETs的峰值跨導g_m

（f）柵極長度和溝道寬度分別為5μm和25μm的CMOS FETs的閾值電壓V_TH

圖2 CNT網絡薄膜基CMOS FETs的比例特性及探索

（a）不同︱V_DS︱下柵極長度為1μm的CNT CMOS FETs的傳輸特性

（b）不同︱V_DS︱下柵極長度為1μm的CNT CMOS FETs的輸出特性

（c，d）︱V_DS︱=1V時，柵極長度分別為1、2、5μm的p-FET和n-FET的電流密度統計圖

（e，f）︱V_DS︱=1V時，柵極長度分別為1、2、5μm的p-FET和n-FET的開關比

圖3 基于CNT薄膜基CMOS FETs的基礎邏輯門電路的制作和特性

（a）反相器的電路圖和顯微鏡圖片

（b）V_DD從2到0.1之間變化時反相器的電壓轉換特性（VTC）曲線

（c）V_DD為1V和2V時的VTC曲線（藍色）及其鏡像（紅色）

（d）當V_DD為0.2V、1V和2V時反相器的V_IN依賴電壓增益

（e）NAND型、NOR型和XOR型CNT CMOS邏輯門電路的電路圖

（f）CNT CMOS邏輯門電路的顯微鏡照片

（g）CNT CMOS邏輯門電路的輸出特性

圖4 CNT-CMOS基MUX2_1、D鎖存器和T觸發器的制作和特性

（a）MUX2_1的顯微鏡照片及其電路圖

（b）MUX2_1在V_DD為2V時的功能測試

（c）CNT CMOS D鎖存器的顯微鏡照片

（d）CNT CMOS D鎖存器在V_DD為2V時的功能測試

（e）T觸發器的顯微鏡照片及其電路圖

（f）T觸發器在V_DD為2V時的功能測試

圖5 CNT-CMOS基中等規模集成電路的制作及特性

（a）CNT-CMOS基1比特全加器的電路圖

（b）CNT-CMOS基1比特全加器的顯微鏡圖片

（c）CNT-CMOS基1比特全加器在V_DD為2V時的功能測試

（d）4比特全加器的顯微鏡圖片

（e）4比特全加器的電路圖

（f）8個4比特全加器在V_DD為2V時的功能測試

【小結】

本文發展了基于溶液法制備的CNT網絡薄膜無摻雜CMOS技術。FET的極性可以通過使用Sc和Pd作為源極和漏極選擇性注入溝道來控制。制作出的CMOS FET表現出了極高的對稱性和良好的性能一致性。由CNT薄膜基CMOS FETs制作的多種ICs都表現出了100%的產率和軌到軌的輸出。改良的CMOS技術在發展CNT網絡薄膜基ICs的發展上極具潛力，并將促進CNT薄膜基ICs在柔性和透明電路等領域的應用。

文獻鏈接：High-Performance Complementary Transistors and Medium-Scale Integrated Circuits Based on Carbon Nanotube Thin Films（ACS Nano, 2017, DOI: 10.1021/acsnano.7b00861）

本文由材料人電子電工學術組大城小愛供稿，材料牛整理編輯。

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