半導(dǎo)體碳納米管被認(rèn)為是構(gòu)建納米晶體管的理想溝道材料,有望推動未來電子學(xué)的發(fā)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(lǐng)域取得了巨大進(jìn)展。碳基電子學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展,特別是碳基集成電路的實(shí)用化推進(jìn),很大程度上依賴于大面積制備、高半導(dǎo)體純度的高質(zhì)量碳納米管材料。構(gòu)建碳基集成電路的理想材料是平行排列的高密度半導(dǎo)體碳納米管陣列,但目前的制備技術(shù)仍難以實(shí)現(xiàn)。在現(xiàn)階段所有碳納米管材料中,發(fā)展最為成熟、最適合構(gòu)建集成電路的是隨機(jī)取向的高半導(dǎo)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(huán)振等電路在內(nèi)的各種晶體管和集成電路,然而由于隨機(jī)取向碳管薄膜的無序性,人們一直認(rèn)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(qū)動晶體管以及柔性、瞬態(tài)、透明電等等。近年來,隨著材料純度和質(zhì)量的不斷提升,基于隨機(jī)取向的碳納米管薄膜晶體管和電路性能也進(jìn)一步增強(qiáng),并被嘗試用于高性能數(shù)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(shù)字集成電路的標(biāo)準(zhǔn),尚需從器件物理性質(zhì)上加以研究。

　　北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院電子學(xué)系、納米器件物理與化學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的張志勇-彭練矛聯(lián)合課題組研究了隨機(jī)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(guī)律,發(fā)現(xiàn)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(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,隨機(jī)取向碳管薄膜晶體管的開態(tài)性能(跨導(dǎo))和關(guān)態(tài)性能(亞閾值擺幅)之間存在著明顯的相互制約規(guī)律。聯(lián)合課題組通過實(shí)驗(yàn)和理論結(jié)合,揭示出這種開、關(guān)態(tài)相互制衡的現(xiàn)象主要是由薄膜中碳管的方向呈隨機(jī)無序分布而引起的。分布方向隨機(jī)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(dǎo)致亞閾值擺幅變差和最大跨導(dǎo)增長梯度變緩,導(dǎo)致亞閾值擺幅與最大跨導(dǎo)之間的制衡折衷現(xiàn)象。最終,研究通過平衡亞閾值擺幅和跨導(dǎo),兼顧晶體管的開態(tài)與關(guān)態(tài),使得柵長為120nm的隨機(jī)取向碳管薄膜晶體管可滿足大規(guī)模數(shù)字集成電路的需求。

《先進(jìn)功能材料》期刊該期內(nèi)封面

　　近日,上述工作以“面向數(shù)字電路應(yīng)用的碳納米管網(wǎng)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(fā)表于材料領(lǐng)域著名期刊《先進(jìn)功能材料》(Advanced Functional Materials),并被選做內(nèi)封面(inside front cover);北京大學(xué)電子學(xué)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(guān)課題得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、北京市科技計(jì)劃等資助。