要“马儿”跑得快又要“马儿”少吃“草”？中国科学家在碳基领域做到了

       5G时代，芯片是公认的“耗电大户”，仅手机芯片的耗电量就是4G手机芯片的2.5倍左右。但近日它们遇到了命中克星——基于阵列碳纳米管的增强型晶体管和高速电路。这是一项由北京大学电子学系、碳基集成电路研究院张志勇—彭练矛团队完成的研究成果，该成果意味着我国科学家在碳基器件在材料，加工工艺上取得了全方位的突破，使碳基集成电路在运行时能够高速运转，通过阈值电压调控实现增强型晶体管（在零栅压时晶体管处于关态），相较于之前普遍的耗尽型晶体管（在零栅压时晶体管处于开启状态），在待机时也只消耗更少的电量，解决了“既让马儿跑得快又让马儿少吃草”这个长期困扰碳基电子学这一领域难题，制备的碳管晶体管的实际电学性能第一次超越相似尺寸的硅基晶体管，创造了碳纳米管甚至是其他纳米材料制备的环振电路中的速度新纪录。

图1 基于阵列碳纳米管的增强型高性能晶体管

       该团队通过系统的优化阵列碳纳米管沟道材料,改善MOS栅叠层结构（碳纳米管/栅介质/栅金属），首次实现了基于阵列碳管的高性能增强型晶体管和集成电路，充分展现出碳管电子学的优势。相关论文以《基于阵列碳纳米管的增强型晶体管和高速电路》为题，于8月28日在线发表在国际知名期刊《先进功能材料》上。北京大学电子学系、前沿交叉学科研究院博士生林艳霞为论文第一作者，北京大学电子学系碳基电子学研究中心、纳米器件物理与化学教育部重点实验室张志勇教授和彭练矛院士为共同通讯作者。

图2 论文第一作者林艳霞在超净室准备做实验

       5G时代万物互联，将有更多的设备接入互联网。由于要处理海量的数据，这就要求作为控制平台的电子终端产品要有一颗高速率、大容量、低耗电量的“心脏”——芯片。但随着主流硅基芯片的发展临近物理极限，继续进行尺寸缩减面临的如何降低工作电压，降低静态功耗等难题，并没有明确的解决方案。碳基芯片又尚处于发展阶段，因阈值电压不合适，导致的晶体管普遍为耗尽型，在零栅压时依然为开启状态，静态功耗耗电量大的问题也是其发展路上的拦路虎。但中国科学家让这个问题迎刃而解。张志勇—彭练矛团队的这项研究成果使高速度、低功耗的碳基芯片从理论走向现实，让代替硅基芯片的碳基芯片离产业化更进一步。

      “我们团队是全球目前做碳晶体管做的最好的，这要归功于老师和前辈们。是他们二十年如一日地在碳纳米管领域深耕，让我们的工艺能够不断的积累和传承。我和同学们都是基于前人的这些优秀的经验、积累下来的工艺，针对现在有的问题再继续优化。”林艳霞说，功成不必在我，功成必定有我。在不远的将来，碳晶体管和碳基集成电路能够在一些领域推广应用时，可能最后的研发不一定是我做出来的，但是我愿意在这个过程中贡献我全部的力量。

      “我对未来碳基芯片的发展充满了信心。这次我们在工艺水平都相对不是很先进的实验室里做出来了增强型晶体管和高速电路，就能达到晶体管迁移率接近单根碳管、并且比工业化水平成熟的硅基要高9倍多的水平。而且晶体管的实际性能也是第一次超过与硅基相同尺寸的晶体管性能，这正说明了碳晶体管、碳基芯片的无限潜力，它有足够的力量推动未来集成电路产业的快速发展。”林艳霞如是说。