國產5nm碳納米管研究新突破，摩爾定律有救了

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本文來自北大碳基電子學研究中心，如需轉載，請聯繫原作者。

編者按：恭喜彭練矛-張志勇課題組在Science上發表5納米碳納米管CMOS器件結果，將晶體管性能推至理論極限。

集成電路發展的基本方式在於晶體管的尺寸縮減，從而性能和集成度，得到更快功能更複雜的晶元。目前主流CMOS技術即將發展到10納米技術節點，後續發展將受到來自物理規律和製造成本的限制，很難繼續提升，「摩爾定律」可能面臨終結。

20多年來，科學界和產業界一直在探索各種新材料和新原理的晶體管技術，以望替代硅基CMOS技術。但是到目前為止，並沒有機構能夠實現10納米的新型CMOS器件，而且也沒有新型器件能夠在性能上真正超過最好的硅基CMOS器件。

碳納米管被認為是構建亞10納米晶體管的理想材料，其原子量級的管徑保證了器件具有優異的柵極靜電控制能力，更容易克服短溝道效應；超高的載流子遷移率則保證器件具有更高的性能和更低的功耗。

理論研究表明碳管器件相對於硅基器件來說具有5-10倍的速度和功耗優勢，有望滿足後摩爾時代集成電路的發展需求。但是已實現的最小碳納米管CMOS器件僅停滯在20nm柵長（2014年 IBM），而且性能遠遠低於預期。

北京大學信息科學技術學院彭練矛-張志勇課題組在碳納米管電子學領域進行了十多年的研究，發展了一整高性能碳納米管CMOS晶體管的無摻雜製備方法，通過控制電極功函數來控制晶體管的極性。

彭練矛教授（左）和張志勇教授（右）

5nm技術節點實現突破

近年來，該課題組通過優化器件結構和製備工藝，首次實現了柵長為10納米的碳納米管頂柵CMOS場效應晶體管（對應於5納米技術節點），p型和n型器件的亞閾值擺幅（subthreshold swing, SS）均為70 mV/DEC。

器件性能不僅遠遠超過已發表的所有碳納米管器件，並且更低的工作電壓（0.4V）下， p型和n型晶體管性能均超過了目前最好的（Intel公司的14納米節點）硅基CMOS器件在0.7V電壓下工作的性能。特別碳管CMOS晶體管本徵門延時達到了0.062ps，相當於14納米硅基CMOS器件（0.22ps）的1/3。

圖 1：10納米柵長碳納米管CMOS器件。A： n型和p型器件截面圖和柵堆垛層截面圖；B-C: p型和n型碳管器件的轉移曲線以及與硅基CMOS器件（Intel, 14nm, 22nm）的對比。D:碳管器件的本徵門延時與14nm硅基CMOS對比。

課題組進一步探索5nm柵長（對應3納米技術節點）的碳管晶體管。採用常規結構製備的柵長為5納米的碳管晶體管容易遭受短溝道效應和源漏直接隧穿電流影響，即使採用超薄的高k柵介質（等效氧化層厚度0.8納米），器件也不能有效地關斷，SS一般大於100mV/Dec。課題組採用石墨烯作為碳管晶體管的源漏接觸，有效地抑制了短溝道效應和源漏直接隧穿，從而製備出了5納米柵長的高性能碳納米管晶體管，器件亞閾值擺幅達到73mV/Dec。

圖2：5納米柵長碳管晶體管。A：採用金屬接觸的碳管晶體管截面TEM圖，以及採用石墨烯作為接觸的碳管晶體管SEM圖；B:石墨烯作為接觸的碳管晶體管示意圖；C：柵長為5納米的碳管晶體管的轉移曲線。

性能遙遙領先傳統硅器件

在此基礎上，課題組全面比較了碳納米管CMOS器件的優勢和性能潛力。研究表明，與相同柵長的硅基CMOS器件相比，碳納米管CMOS器件具有10倍左右的速度和動態功耗（能耗延時積， EDP）綜合優勢，以及更好的可縮減性。

對實驗數據分析表明，5納米柵長的碳管器件開關轉換僅有約1個電子參與，並且門延時達到了42fs，非常接近二進位電子開關器件的極限（40fs），該極限由海森堡測不準原理和香農-馮諾依曼-郎道爾定律（SNL）決定。表明5納米柵長的碳納米管晶體管已經接近電子開關的物理極限。

圖3：碳納米管CMOS器件與傳統半導體器件的比較。A：基於碳管陣列的場效應晶體管結構示意圖；B-D：碳管CMOS器件（藍色、紅色和橄欖色的星號）與傳統材料晶體管的亞閾值擺幅（SS），本徵門延時和能量延時積的比較。

課題組研究了接觸尺寸縮減對器件性能的影響，探索了器件整體尺寸的縮減。將碳管器件的接觸電極長度縮減到25納米，在保證器件性能的前提下，實現了整體尺寸為60納米的碳納米管晶體管，並且成果演示了整體長度為240納米的碳管CMOS反相器，這是目前實現的最小納米反相器電路。

該工作2017年1月20日在線發表在美國科學促進會的旗艦期刊《科學》（Science）上，DOI: 10.1126/science.aaj1628。鏈接長按下方二維碼訪問：

http://science.sciencemag.org/content/355/6322/271 (二維碼自動識別)

北京大學信息科學技術學院博士後邱晨光是第一作者，張志勇教授和彭練矛教授為共通通訊作者。

北京大學信息科學技術學院博士後邱晨光

該成果的重要意義

這是中國首次掌握了世界上最先進的晶體管技術，如果能加以推廣，將會成為未來最先進的晶元製造技術。這種新技術的出現，使得國內半導體製造首次有機會引領世界領先水平。

硅基技術即將發展到盡頭，傳統晶元的性價比提升空間非常小。Intel, 三星，TSMC三大巨頭，特別是Intel一直在尋找新一代半導體器件技術，但是新的技術在原有硅基技術上提升非常有限。我們的掌握的碳管技術與最先進的硅基技術相比性能上六代以上的優勢，約20年的發展。所以，如果碳基技術實現產業化，將有可能徹底改變半導體製造行業的格局，Intel，三星和台積電的優勢不復存在，而我國會擁有最先進的晶元技術。

研究成果表明在10納米以下技術節點，碳納米管CMOS器件相對於硅基CMOS器件具有明顯優勢，且有望達到由測不準原理和熱力學決定的二進位電子開關的性能極限。

該項研究得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金委員會優秀青年基金、創新群體和面上項目資助，同時也得到北京市科學技術委員會等單位的資助。

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