最新Science:排列的高密度半导体碳纳米管阵列用于高性能电子器件


【引言】

现代集成电路(ICs)的发展要求场效应晶体管(FET)的规模以提供更高的密度、性能、和能源效率。具有高载流子迁移率的超薄半导体通道可在积极扩展的FET中最大程度地减少短通道效应。单壁碳纳米管(CNT)的能量效率是传统互补金属氧化物半导体(CMOS)FET的10倍,因为电子传输是弹道的,并且CNT具有出色的静电性能。此外,在独立的CNT上构建的原型晶体管(栅极长度短至5 nm)在固有性能和功耗方面都优于Si CMOS晶体管。然而,在类似的技术节点上还没有实现真正性能超过Si CMOS FET的CNT FET,因为用于研究的CNT材料仍远非电子学的理想选择。作为高性能数字电子设备的构建组件,超大规模的CNT FET应在沟道中包含多个半导体CNTs,以提供足够的驱动能力。需要高密度排列的半导体CNT阵列作为制造大规模IC的通道材料。

【成果简介】

今日,在北京大学张志勇教授彭练矛教授团队等人带领下,与湘潭大学浙江大学合作,开发了一种多重分散和排序过程,获得了极高的半导体纯度和尺寸限制的自对准(DLSA)程序,在10 cm的硅片上制备出排列整齐的CNT阵列(在9度的对位范围内),其密度可调控为每微米100到200个CNTs。在CNT阵列上制造的顶栅场效应晶体管(FETs)显示出比栅极长度相近的商用硅金属氧化物半导体FET的性能更好,特别是导通电流为1.3 mA/μm,在1 V的电源条件下,每微米的记录电感为0.9 mS(毫西门子),同时使用离子-液体栅极保持了低室温下阈值波动<90 mV/10年。批量制造的顶栅五级环形振荡器的最高振荡频率> 8 GHz。相关成果以题为Aligned, high-density semiconducting carbon nanotube arrays for high-performance electronics发表在了Science

【图文导读】

图1 基于CNT FET的数字IC技术的晶体管结构

2 A-CNT阵列的制备和表征

3 基于A-CNT阵列的顶栅FET的特性和基准测试

4 离子液体栅极CNT阵列FET

5 NT五级ROs的结构和特性

文献链接:Aligned, high-density semiconducting carbon nanotube arrays for high-performance electronics(Science,2020,DOI:10.1126/science.aba5980)

本文由木文韬翻译,材料牛整理编辑。

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