5月22日，信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院電子學(xué)系張志勇-彭練矛課題組在《科學(xué)》雜志上發(fā)表論文，報道在高性 能電子學(xué)的高密度半導(dǎo)體陣列碳納米管研究中所取得的重要進展。同日，電子學(xué)系孫偉研究員課題組 在《科學(xué)》雜志上發(fā)表題為《核酸引導(dǎo)的高性能碳納米管晶體管的制備》的論文。
信息學(xué)院電子學(xué)系張志勇-彭練矛課題組在用于高性能電子學(xué)的高密度半導(dǎo)體陣列碳納米管研究中取得重要進展
集成電路的發(fā)展要求互補金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）晶體管在持續(xù)縮減尺寸的同時提升性能，降低功耗。隨著主流CMOS集成電路縮減到亞10 nm技術(shù)節(jié)點，采用新結(jié)構(gòu)或新材料對抗場效應(yīng)晶體管中的短溝道效應(yīng)、進一步提升器件能量利用效率變得愈加重要。在諸多新型半導(dǎo)體材料中，半導(dǎo)體碳納米管具有超高的電子和空穴遷移率、原子尺度的厚度和穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，是構(gòu)建高性能CMOS器件的理想溝道材料。已公開的理論計算和實驗結(jié)果均表明，碳管CMOS晶體管采用平面結(jié)構(gòu)即可縮減到5nm柵長，且較同等柵長的硅基CMOS器件具有10倍的本征性能-功耗綜合優(yōu)勢。
碳納米管集成電路批量化制備的前提是實現(xiàn)超高半導(dǎo)體純度（>99.9999%）、順排、高密度（100～200 /μm）、大面積均勻的碳納米管陣列薄膜（見圖1）。長期以來，材料問題的制約導(dǎo)致碳管晶體管和集成電路的實際性能遠(yuǎn)低于理論預(yù)期，甚至落后于相同節(jié)點的硅基技術(shù)至少一個數(shù)量級，因而成為碳管電子學(xué)領(lǐng)域所面臨的最大的技術(shù)挑戰(zhàn)。
北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院電子學(xué)系/北京大學(xué)碳基電子學(xué)研究中心、納米器件物理與化學(xué)教育部重點實驗室張志勇教授-彭練矛教授課題組發(fā)展全新的提純和自組裝方法，制備高密度高純半導(dǎo)體陣列碳納米管材料，并在此基礎(chǔ)上首次實現(xiàn)了性能超越同等柵長硅基CMOS技術(shù)的晶體管和電路，展現(xiàn)出碳管電子學(xué)的優(yōu)勢。該課題組采用多次聚合物分散和提純技術(shù)得到超高純度碳管溶液，并結(jié)合維度限制自排列法，在4英寸基底上制備出密度為120/μm、半導(dǎo)體純度高達99.99995%、直徑分布在1.45±0.23 nm的碳管陣列（見圖2），從而達到超大規(guī)模碳管集成電路的需求。基于這種材料，批量制備出場效應(yīng)晶體管和環(huán)形振蕩器電路，100nm柵長碳管晶體管的峰值跨導(dǎo)和飽和電流分別達到0.9 mS/μm和1.3 mA/μm（VDD=1V，見圖3），室溫下亞閾值擺幅為90 mV/DEC；批量制備出五階環(huán)形振蕩器電路，成品率超過50%，最高振蕩頻率8.06 GHz遠(yuǎn)超已發(fā)表的基于納米材料的電路（見圖4），且超越相似尺寸的硅基CMOS器件和電路。
圖1.大規(guī)模集成電路對碳管材料的要求
圖2.高密度、高純度半導(dǎo)體碳管陣列的制備和表征
圖3.高性能碳管晶體管
圖4.碳管高速集成電路
該項工作突破了長期以來阻礙碳管電子學(xué)發(fā)展的瓶頸，首次在實驗上顯示出碳管器件和集成電路較傳統(tǒng)技術(shù)的性能優(yōu)勢，為推進碳基集成電路的實用化發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。2020年5月22日，相關(guān)研究成果以《用于高性能電子學(xué)的高密度半導(dǎo)體碳納米管平行陣列》（“Aligned, high-density semiconducting carbon nanotube arrays for high-performance electronics”）為題，在線發(fā)表于《科學(xué)》（Science，第368卷6493期850～856頁）；電子學(xué)系2015級博士研究生劉力俊和北京元芯碳基集成電路研究院工程師韓杰為并列第一作者，張志勇和彭練矛為共同通訊作者。
上述研究得到國家重點研發(fā)計劃“納米科技”重點專項、北京市科技計劃、國家自然科學(xué)基金等資助。湘潭大學(xué)湖南省先進傳感與信息技術(shù)創(chuàng)新研究院、浙江大學(xué)、北京大學(xué)納光電子前沿科學(xué)中心等單位研究人員參與合作。
信息學(xué)院電子學(xué)系孫偉研究員課題組基于DNA模板的高性能碳納米管晶體管研究取得重要進展
生物自組裝結(jié)構(gòu)具有精細(xì)的三維形貌，其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)小于光刻等傳統(tǒng)納米加工手段的分辨率極限。利用自組裝生物分子作為加工模板，目前已實現(xiàn)金屬材料、碳基材料、氧化物材料的可控形貌合成。然而，基于生物模板的電學(xué)器件的性能往往遠(yuǎn)落后于通過蝕刻或薄膜方法制備的同類器件，且缺乏長程取向規(guī)整性，因而制約了生物模板在高性能器件中的應(yīng)用。
為此，北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院電子學(xué)系/北京大學(xué)碳基電子學(xué)研究中心、納米器件物理與化學(xué)教育部重點實驗室孫偉研究員課題組與廈門大學(xué)朱志教授課題組、清華大學(xué)唐建石研究員課題組、美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院鄭明博士合作，探索了生物-碳納米管復(fù)合界面及大面積取向排列的調(diào)控新方法。
孫偉等以組裝于脫氧核糖核酸（DNA）模板的平行碳納米管陣列作為模型體系，研究界面生物分子組成對器件性能的影響，開發(fā)了一種基于固定-洗脫策略的界面工程方法，在不改變碳管排列的基礎(chǔ)上，有效去除界面處的金屬離子及生物分子等雜質(zhì)。經(jīng)過界面工程，基于生物模板的碳管陣列晶體管顯示了良好的開態(tài)性能和快速的電流開關(guān)切換，從而展現(xiàn)出高精準(zhǔn)度生物模板在高性能晶體管領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。基于空間限域效應(yīng)，他們還發(fā)展了陣列取向排列的新方法，探討了決定取向排列精準(zhǔn)度的關(guān)鍵因素。在高性能電子器件和生物分子自組裝的交叉領(lǐng)域上，這一方法具有實現(xiàn)基于生物模板的大規(guī)模電子器件的潛力。進一步結(jié)合光刻技術(shù)與嵌段共聚物定向組裝技術(shù)，高分辨生物制造可用于構(gòu)建大面積、小尺寸的高性能電子設(shè)備；同時，結(jié)合電學(xué)特性與生物響應(yīng)特性的高性能電子-生物融合器件也可應(yīng)用于未來的生物傳感器與驅(qū)動器。
通過優(yōu)化DNA-CNT界面組成，構(gòu)筑基于核酸模板的高性能晶體管（左）；在厘米級基底表面取向排列大規(guī)模陣列（右）
2020年5月22日，相關(guān)研究成果以《核酸引導(dǎo)的高性能碳納米管晶體管的制備》（“DNA-directed nanofabrication of high-performance carbon nanotube field-effect transistors”）為題，在線發(fā)表于《科學(xué)》（Science，第368卷6493期878～881頁）；電子學(xué)系2018級博士研究生趙夢宇為第一作者，廈門大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院2016級博士研究生陳雅鴻為共同第一作者，孫偉和朱志為通訊作者。
相關(guān)研究工作得到國家自然科學(xué)基金、北京大學(xué)“中央高校建設(shè)世界一流大學(xué)（學(xué)科）和特色發(fā)展引導(dǎo)專項”資助。
