半導體碳納米管被認為是構建納米晶體管的理想溝道材料,有望推動未來電子學的發展。在過去的二十多年間,基于碳管的器件和電路得到廣泛研究,并在器件物理、性能研究探索、電路制備等領域取得了巨大進展。碳基電子學的進一步發展,特別是碳基集成電路的實用化推進,很大程度上依賴于大面積制備、高半導體純度的高質量碳納米管材料。構建碳基集成電路的理想材料是平行排列的高密度半導體碳納米管陣列,但目前的制備技術仍難以實現。在現階段所有碳納米管材料中,發展最為成熟、最適合構建集成電路的是隨機取向的高半導體純度的碳管薄膜,已被廣泛用來制備包括基本邏輯門、半加器、全加器、環振等電路在內的各種晶體管和集成電路,然而由于隨機取向碳管薄膜的無序性,人們一直認為其更適合對性能要求不高的器件或電路,比如平板顯示驅動晶體管以及柔性、瞬態、透明電等等。近年來,隨著材料純度和質量的不斷提升,基于隨機取向的碳納米管薄膜晶體管和電路性能也進一步增強,并被嘗試用于高性能數字集成電路,但是這種晶體管在性能和功耗方面能否滿足高性能數字集成電路的標準,尚需從器件物理性質上加以研究。

　　北京大學信息科學技術學院電子學系、納米器件物理與化學教育部重點實驗室的張志勇-彭練矛聯合課題組研究了隨機取向碳納米管薄膜晶體管的性能極限,探索了晶體管的橫向尺寸和縱向尺寸微縮規律,發現尺寸縮減在可提升器件性能的同時,也會明顯損壞亞閾值擺幅。統計實驗結果表明,隨機取向碳管薄膜晶體管的開態性能(跨導)和關態性能(亞閾值擺幅)之間存在著明顯的相互制約規律。聯合課題組通過實驗和理論結合,揭示出這種開、關態相互制衡的現象主要是由薄膜中碳管的方向呈隨機無序分布而引起的。分布方向隨機的碳管會引起薄膜器件中單管閾值和電流大小的離散分布,從而導致亞閾值擺幅變差和最大跨導增長梯度變緩,導致亞閾值擺幅與最大跨導之間的制衡折衷現象。最終,研究通過平衡亞閾值擺幅和跨導,兼顧晶體管的開態與關態,使得柵長為120nm的隨機取向碳管薄膜晶體管可滿足大規模數字集成電路的需求。

《先進功能材料》期刊該期內封面

　　近日,上述工作以“面向數字電路應用的碳納米管網狀薄膜晶體管性能極限探索(Thin film FETs:exploring the performance limit of carbon nanotube network film field-effect transistors for digital integrated circuit applications)”為題,發表于材料領域著名期刊《先進功能材料》(Advanced Functional Materials),并被選做內封面(inside front cover);北京大學電子學系博士研究生趙晨怡為第一作者,張志勇、彭練矛為共同通訊作者。相關課題得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、北京市科技計劃等資助。