ACS Nano：高性能互补晶体管及基于碳纳米管的中等规模集成电路

【引言】

由于碳纳米管（CNT）出色的电学及机械性能，因此碳纳米管薄膜被认为是制作场效应晶体管（FETs）沟道和集成电路（ICs）极具希望的材料，尤其是在柔性、透明和瞬时电子器件等特殊的应用场景中。材料和器件制作技术的发展已经使利用高质量CNT薄膜批量生产具备高度均匀性和高产率的FETs成为可能，多种集成电路的制作也已经证明了这一点。然而，目前大部分ICs都仅仅基于p-型FET进行设计。众所周知，结合p-型和n-型FET的互补金属氧化物半导体（CMOS）由于其较低的静电功耗和较高的噪声容限已经成为了现代ICs最普遍的电路范例，同时，CMOS也是CNT薄膜电子器件优先的电路选择。但是，基于CNT网络薄膜制作稳定、高效的n-型FET仍然极具挑战，这也阻碍了基于CNT薄膜的CMOS ICs的发展。

【成果简介】

近日，来自北京大学的彭练矛教授和张志勇教授（共同通讯）等人在ACS Nano上发表了题为“High-Performance Complementary Transistors and Medium-Scale Integrated Circuits Based on Carbon Nanotube Thin Films”的文章，研究了高性能的互补晶体管和基于碳纳米管薄膜的中等规模集成电路。

液相法制备的碳纳米管网络薄膜具备很高的半导体纯度，是在晶圆尺度上制作FETs和ICs的理想材料，但是这却受制于高效CMOS在薄膜上的实现。本文发展了一种制作CNT网络薄膜基CMOS FETs的无掺杂法，即通过使用Sc或Pd控制FETs的极性，并将其作为源/漏接触选择性地把载流子注入到沟道中。制作出的顶栅CMOS FETs在n-型和p-型特性间表现出了高度的对称性，并且具有优异的可扩展性，其栅极长度可达1μm。实验所得的ICs由于CMOS电路较高的噪声容限实现了轨到轨的输出，其中，由132个CMOS FETs组成的4比特全加器实现了100%的产率。

【图文导读】

图1 基于CNT薄膜的互补FETs的特性

（a）基于CNT网络薄膜的CMOS FETs的示意图

（b）栅极长度和沟道宽度分别为5μm和25μm的p-FET（蓝色曲线）和n-FET（红色曲线）的传输特性

（c）p-FET（蓝线）和n-FET（红线）的输出特性

（d）打开和关闭状态下p-FET和n-FET的能带图

（e）栅极长度和沟道宽度分别为5μm和25μm的CMOS FETs的峰值跨导g_m

（f）栅极长度和沟道宽度分别为5μm和25μm的CMOS FETs的阈值电压V_TH

图2 CNT网络薄膜基CMOS FETs的比例特性及探索

（a）不同︱V_DS︱下栅极长度为1μm的CNT CMOS FETs的传输特性

（b）不同︱V_DS︱下栅极长度为1μm的CNT CMOS FETs的输出特性

（c，d）︱V_DS︱=1V时，栅极长度分别为1、2、5μm的p-FET和n-FET的电流密度统计图

（e，f）︱V_DS︱=1V时，栅极长度分别为1、2、5μm的p-FET和n-FET的开关比

图3 基于CNT薄膜基CMOS FETs的基础逻辑门电路的制作和特性

（a）反相器的电路图和显微镜图片

（b）V_DD从2到0.1之间变化时反相器的电压转换特性（VTC）曲线

（c）V_DD为1V和2V时的VTC曲线（蓝色）及其镜像（红色）

（d）当V_DD为0.2V、1V和2V时反相器的V_IN依赖电压增益

（e）NAND型、NOR型和XOR型CNT CMOS逻辑门电路的电路图

（f）CNT CMOS逻辑门电路的显微镜照片

（g）CNT CMOS逻辑门电路的输出特性

图4 CNT-CMOS基MUX2_1、D锁存器和T触发器的制作和特性

（a）MUX2_1的显微镜照片及其电路图

（b）MUX2_1在V_DD为2V时的功能测试

（c）CNT CMOS D锁存器的显微镜照片

（d）CNT CMOS D锁存器在V_DD为2V时的功能测试

（e）T触发器的显微镜照片及其电路图

（f）T触发器在V_DD为2V时的功能测试

图5 CNT-CMOS基中等规模集成电路的制作及特性

（a）CNT-CMOS基1比特全加器的电路图

（b）CNT-CMOS基1比特全加器的显微镜图片

（c）CNT-CMOS基1比特全加器在V_DD为2V时的功能测试

（d）4比特全加器的显微镜图片

（e）4比特全加器的电路图

（f）8个4比特全加器在V_DD为2V时的功能测试

【小结】

本文发展了基于溶液法制备的CNT网络薄膜无掺杂CMOS技术。FET的极性可以通过使用Sc和Pd作为源极和漏极选择性注入沟道来控制。制作出的CMOS FET表现出了极高的对称性和良好的性能一致性。由CNT薄膜基CMOS FETs制作的多种ICs都表现出了100%的产率和轨到轨的输出。改良的CMOS技术在发展CNT网络薄膜基ICs的发展上极具潜力，并将促进CNT薄膜基ICs在柔性和透明电路等领域的应用。

文献链接：High-Performance Complementary Transistors and Medium-Scale Integrated Circuits Based on Carbon Nanotube Thin Films（ACS Nano, 2017, DOI: 10.1021/acsnano.7b00861）

本文由材料人电子电工学术组大城小爱供稿，材料牛整理编辑。

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