Nature子刊：將溶液處理的自組織碳納米管用于高速邏輯集成電路

【引言】

在過去的幾年里，研究者們已經將碳納米管（CNT）基場效應晶體管（FETs）推向了10nm以下溝道長度的水平，其接觸長度使用了一種新型的點接觸組合，這種場效應晶體管沒有表現出閾值以下漲落的衰減。盡管這是在單個納米管上表現出來的，但也完美證明了將這種納米材料應用在超尺度晶體管中的獨特優勢，同時提供了發展大規模CNT邏輯技術的強烈動機。因此，研究者們已經探索了將數百個CNT基晶體管構建復雜集成電路的可能性，并實現了單比特處理器和中等規模邏輯功能或基于滲流輸運的CNT薄膜晶體管。然而，盡管功能性上的成功獲得作為這些工作的主要目標已經實現，但是一些極其重要的技術需求仍未解決。特別地，如果將CNT基FETs作為實現高性能邏輯技術的候選，那么晶圓上的CNT陣列就必須表現出較低的缺陷密度并同時實現n-和p-溝道FETs的存在。

【成果簡介】

近日，來自IBM托馬斯沃森研究中心的Shu-Jen Han（通訊作者）等人研究了溶液處理的自組織碳納米管在高速邏輯集成電路中的應用，相關的研究成果以“High-speed logic integrated circuits with solutionprocessed?self-assembled carbon nanotubes”為題發表在了2017年6月3日出版的Nature Nanotecnology上。

本文報道了一種使用完全可制造過程得到的高性能互補碳納米管環形振蕩器，其階段切換頻率高達2.82GHz。此電路基于溶液處理過程構建，其中使用的自組織碳納米管具有99.9%的半導體純度，其互補特性是利用兩種不同功函數的電極實現的。

【圖文導讀】

圖1 互補CNT環形振蕩器

（a）包括八步光刻在內的環形振蕩器制作過程圖示

（b）完整的五段CNT環形振蕩器的偽色掃描電鏡圖

（c）CNT布局中單個CNT p通道FET（PFET）溝道結構的掃描電鏡放大圖

圖2?HfO₂柵極電介質中具有高產率和氧清除能力的CNT n通道FETs

（a）在漏極電壓為0.5V下具有40nm接觸長度的Sc接觸納米管晶體管的傳輸特性

（b）150℃熱處理前（左）后（右）HfO₂/Sc堆疊的透射電鏡圖和對應的能量色散X射線譜

圖3 基于溶劑的CNT陣列和布局方式

（a）為了與溶劑中從聚合物提取得到的CNT溶液兼容的基于重氮化合物化學的布局過程

（b）將CNT置于HfO₂/Al₂O₃溝道中的掃描電鏡俯視圖

（c）作為環形振蕩器在相同基底上制作的192 p溝道FETs的傳輸曲線

圖4 環形振蕩器的電學表征

（a）在一個換流器中不同電壓下p溝道和n溝道FET對的傳輸曲線

（b）不同柵偏壓下（a）中器件的輸出特性

（c）從（a）中晶體管對得到的換流器噪聲容限

（d）利用高速數字示波器測量的CNT環形振蕩器輸出波形

（e）電路持續偏壓為1.3V時環形振蕩器輸出頻率與時間的函數關系

【小結】

在成功實現了CNT晶體管的可擴展性后，本文得到了可用于任何邏輯技術中的終極基準電路——CMOS CNT環形振蕩器。相比于其他任何納米材料基器件，本文得到的器件實現了空前優異的性能，利用純化-固定的思路，確保了本文中所有的過程都是可擴展并且能實現可制造性。自從CMOS環形振蕩器作為直接反映技術成熟度的標志以來，人們期待已久的將這種極具前景的材料用于實際技術中這一重要議題正在被大力解決著。

文獻鏈接：High-speed logic integrated circuits with solutionprocessed?self-assembled carbon nanotubes（Nat. Nanotech., 2017, DOI: 10.1038/NNANO.2017.115）

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。材料牛網專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，如果您對于跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣，點我加入編輯部。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com。

材料測試，數據分析，上測試谷！