Nano Lett. 高度一致的碳纳米管场效应晶体管和中等规模集成电路

lyh_wv 8年前 (2016-08-06) 4485浏览

碳纳米管(CNTs)具有高速、低功耗等方面的优点，被认为是最佳的构建场效应晶体管沟道材料。在过去的十五年中，碳纳米管(CNTs)纳米电子器件的研究主要集中于两个方向：一是器件的探索，也就是探索新器件、物理原理、制造方式以及性能和结构的优化；另一个是IC方向，也就是探索采用碳纳米管制备的各种简单的IC元器件。然而，碳纳米管集成电路通常面临着低集成密度的明显不足，而集成度太低会限制集成电路的功能以及实际的运用。另外，碳纳米管集成电路还具有产量低、非理想的逻辑输出、需要供应高电压或甚至多电压、只能进行简单的功能等缺陷。总的来说，碳纳米管集成电路集成度和性能的问题主要来自于材料和制备的过程，而大多数的关于碳纳米管电子器件研究都集中于器件性能，而不是一致性，这明显阻碍了其发展。

北京大学信息科学技术学院物理电子研究所的张志勇教授和彭练矛教授（共同通讯作者）采用溶液法制备碳纳米管，并制造了基于碳纳米管网络薄膜的顶栅p型场效应晶体管。这种碳纳米管顶栅场效应晶体管展示出高产率、高度一致的性能。根据场效应管的特性，设计出来各种逻辑计算门、转换器和D-LATCH电路，并通过轨对轨输出进行了验证。尤其是验证了由140个p型碳纳米管场效应晶体管组成的4位加法器具有更高的集成度和更低的电源电压。另外，首次实现了2位乘法器。得益于碳纳米管场效应晶体管高均匀性和合适的阈值电压，所有基于碳纳米管场效应晶体管的电路可以由2 V的电压驱动。

【图文注释】
图1、基于碳纳米管薄膜的顶栅极场效应晶体管的结构与性能。

（a）、沉积在Si/SiO2衬底上的碳纳米管网络的SEM图。插图为所制造的顶栅极器件的SEM图；（b）、一个典型的顶栅场效应管的传输特性，偏压Vds=-1V；（c）、与（b）中相对应的场效应晶体管的输出曲线；（d）、120个器件的转移曲线。

图2、不同测试条件下，120个碳纳米管薄膜晶体管的关键性能数据。

（a）、工作电压分别为Vds=-1V和-2V，120个器件的转移曲线；（b）、通态电流Ion的统计分布直方图，Ion定义为Vgs = Vds = −VDD时的电流；（c）、Ion/Ioff的统计分布直方图，Ion定义为Vds = −VDD时的电流，Ioff定义为Vgs =0时的电流；（d）、SS的统计分布直方图；（e）、Vth的统计分布直方图。平均值为-0.7v，标准偏差为34mv。（f）、不同扫描Vgs方向，在Vds = −2 V下测试的典型碳纳米管场效应晶体管的转移曲线。插图为120个碳纳米管场效应晶体管迟滞电压值的统计分布直方图。

图3、由碳纳米管场效应晶体管制造的最简单的集成电路测试。

（a）、碳纳米管反相器的电路设计（左边）和SEM图（右边），比例尺为5um。（b）、一个典型的VTC和反相器的增益特性。插图：VTC（绿色实线）与其镜像曲线（红色虚线）。“眼睛”形状的区域表示反相器的噪声容限。（c）、VTCs和（d）25个反相器器件的增益统计分布直方图。（e）、电路图和一个21级环形振荡器的SEM图。（f）、频率的倒数与不同环振子的阶段数图。插图：21级环形振荡器的输出波形。

图4、由碳纳米管p型晶体管制造的多种逻辑电路元器件。

（a）、与非门（NAND）、或非门(NOR)、异或门（XOR）电路图（上方）和异或门（XOR）的光学图像。与（AND）,或（ OR）, 异或非（XNOR）门是分别通过在与非（NAND）、或非(NOR)、异或（XOR）门的输出末端加入一个反相器实现的。（b）、与（AND）, 或非（NAND）, 或（OR）,或非(NOR),异或（XOR）,异或非（XNOR）六种逻辑门的输出波形，A,B为对应的输入。（c）、两种函数控制的转换器的输入和输出波形：通过（设置（H1，H2，H3）为（1,0,0）或（0,0,1）），然后转换（设置（H1，H2，H3）为（0,1,0））。（d）D-LATCH的电路设计（上方）和光学图像（下方）。（e）D-LATCH电路的输出和输入波形。