彭练矛-张志勇课题组在《自然.电子学》上发表千兆赫兹碳纳米管集成电路

        集成电路芯片根据“摩尔定律”，通过缩减晶体管尺寸，不断得到性能和集成度的提升，以及成本的降低，但是其继续发展已经受到来自物理极限、功耗以及制造成本的限制，需要采用新的信息器件技术来支撑未来电子学的发展。碳纳米管被认为是构建亚10纳米晶体管的理想材料，理论和实验研究表明碳管器件相对于硅基器件来说具有5-10倍的本征速度和功耗优势，性能接近由量子测不准原理决定的电子开关的极限，有望满足后摩尔时代集成电路进一步发展的需求。然而，由于寄生效应较大，实际制备的碳纳米管集成电路工作频率较低，一般在兆赫兹以下，，比硅CMOS电路（GHz）低几个数量级。最近，IBM发表了基于碳纳米管阵列的环形振荡器，振荡频率可以达到282 MHz，但是依然远远低于预期。大幅度提升碳纳米管集成电路的工作频率，成为发展碳纳米管电子学的重要挑战。

        北京大学信息科学技术学院彭练矛-张志勇课题组在碳纳米管电子学领域进行了十多年的研究，发展了整套碳纳米管CMOS技术，基于碳纳米管实现亚10纳米CMOS器件，以及中等规模集成电路。最近，他们通过碳管材料、器件结构/工艺和电路版图的优化，首次实现了工作在千兆赫兹频率的碳纳米管集成电路，推动了碳纳米管电子学的发展。

        课题组首先通过对碳纳米管材料、器件结构和加工方式采取优化，提升了碳纳米管晶体管的跨导和驱动电流。对于栅长为120 nm的晶体管，在0.8V的工作电压下，开态电流和跨导分别达到0.55 mA/μm和0.46 mS/μm，其中跨导为已发表的碳纳米管器件最高值。基于这种高性能的器件成功实现了五级环形振荡器，振荡频率达到680 MHz。他们进一步优化了器件结构，在源漏和栅之间引入空气侧墙来减少源漏寄生电容，将栅电阻的厚度增加以减少寄生电阻，实现了振荡频率达到了2.62 GHz。在此基础上，通过缩减碳管晶体管栅长和优化电路版图，将五阶环振的振荡频率进一步提升到5.54 GHz， 相较于已发表的最高纪录（IBM 2017年8月发表的五级环振，282MHz）提升了20倍。120纳米栅长碳管器件单级门延时达到18 ps，已经接近同等技术结点的商用CMOS电路。

        更为重要的是，该技术采用的碳纳米管薄膜作为有源区材料，因此可以实现高性能碳纳米管环振电路的批量制备，电路的成品率为60%，环振的平均振荡频率为2.62 GHz，表征差为0.16 GHz，表现出了较好的性能均一性。

图1：碳纳米管环形振荡电路。

（a）五级环振电路扫描电镜照片；（b）5.54 GHz的碳管环振电路；（c）环振频率的统计直方图；（d）与其他碳管材料，二维材料和硅基环振的单级门延时对比

        该工作2017年12月12日在线发表在《自然》（Nature）子刊《自然·电子学》（Nature Electronics）上，标题为“Gigahertz integrated circuits based on carbon nanotube films” （基于碳纳米管薄膜的千兆赫兹集成电路）。北京大学信息科学技术学院博士生仲东来是第一作者，张志勇教授和彭练矛教授为共通通讯作者。该工作不仅极大推进了碳纳米管集成电路的发展，而且还表明，基于现有的碳纳米管材料，已经可能实现性能可以与商用单晶硅基CMOS性能相当的集成电路。而如果采用更为理想的材料（高密度碳纳米管平行阵列），有望推动碳纳米管技术在速度和功耗方面全面超过硅CMOS技术。

        该项研究得到国家重点研发计划项目、国家自然科学基金委项目和北京市科学技术委员会重大项目的资助。