中国半导体十大研究进展候选推荐（2020-018）——— 用于高性能电子学的高密度半导体阵列碳纳米管

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工作简介

         ——用于高性能电子学的高密度半导体阵列碳纳米管

集成电路的发展要求互补金属氧化物半导体（CMOS）晶体管在持续缩减尺寸的同时提升性能，降低功耗。随着主流CMOS集成电路缩减到亚10 nm技术节点，采用新结构或新材料对抗场效应晶体管中的短沟道效应、进一步提升器件能量利用效率变得愈加重要。在诸多新型半导体材料中，半导体碳纳米管具有超高的电子和空穴迁移率、原子尺度的厚度和稳定的结构，是构建高性能CMOS器件的理想沟道材料。碳纳米管集成电路批量化制备的前提是实现超高半导体纯度（>99.9999%）、顺排、高密度（100～200 /μm）、大面积均匀的碳纳米管阵列薄膜。长期以来，材料问题的制约导致碳管晶体管和集成电路的实际性能远低于理论预期，甚至落后于相同节点的硅基技术至少一个数量级，因而成为碳管电子学领域所面临的最大的技术挑战。

北京大学碳基电子学研究中心、纳米器件物理与化学教育部重点实验室张志勇-彭练矛团队发展全新的提纯和自组装方法，制备高密度高纯半导体阵列碳纳米管材料，并在此基础上首次实现了性能超越同等栅长硅基CMOS技术的晶体管和电路，展现出碳管电子学的优势。该课题组采用多次聚合物分散和提纯技术得到超高纯度碳管溶液，并结合维度限制自排列法，在4英寸基底上制备出密度为120 /μm、半导体纯度高达99.99995%、直径分布在1.45±0.23 nm的碳管阵列，从而达到超大规模碳管集成电路的需求。基于这种材料，批量制备出场效应晶体管和环形振荡器电路，100 nm栅长碳管晶体管的峰值跨导和饱和电流分别达到0.9 mS/μm和1.3 mA/μm（V_DD=1 V），室温下亚阈值摆幅为90 mV/DEC；批量制备出五阶环形振荡器电路，成品率超过50%，最高振荡频率8.06 GHz远超已发表的基于纳米材料的电路，且超越相似尺寸的硅基CMOS器件和电路。

该项工作突破了长期以来阻碍碳管电子学发展的瓶颈，首次在实验上显示出碳管器件和集成电路较传统技术的性能优势，为推进碳基集成电路的实用化发展奠定了基础。2020年5月22日，相关研究成果以《用于高性能电子学的高密度半导体碳纳米管平行阵列》（Aligned, high-density semiconducting carbon nanotube arrays for high-performance electronics）为题发表在Science上。北京大学电子系张志勇和彭练矛为共同通讯作者，电子学系博士生刘力俊和碳基电子学研究中心工程师韩杰为共同第一作者。湘潭大学湖南省先进传感与信息技术创新研究院、浙江大学、北京大学纳光电子前沿科学中心等单位研究人员参与合作。研究得到国家重点研发计划“纳米科技”重点专项、国家自然科学基金和北京市科委重大专项等资助。

图1. 大规模集成电路对碳管材料的要求。

图2. 碳管高速集成电路。

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主要作者简介

通讯作者张志勇，北京大学电子系教授，纳米器件物理与化学教育部重点实验室主任，北京大学碳基电学研究中心副主任，电子系副主任。

主要从事碳基纳米电子学方面的研究，探索基于碳纳米管的MOS集成电路、传感器和其他新型信息器件技术，并推进碳基信息器件技术的实用化发展。在Science, Nature electronics等学术期刊上发表SCI论文150余篇， SCI他引6000余次，H因子42。部分工作获得中国高校十大科技进展、国家自然科学二等奖、中国科学十大进展。曾入选国家万人计划-科技创新领军人才、万人计划-青年拔尖人才计划、国家基金委优秀青年科学基金。获得中国青年科技奖、茅以升北京青年科技奖。主持包括国家重点研发计划“纳米科技”重点专项课题等8项国家级、5项省部级项目。

通讯作者彭练矛，北京大学电子系教授，中国科学院院士，北京大学电子学系主任、北京碳基集成电路研究院院长，《先进功能材料》杂志顾问委员会成员，英国物理学会Fellow，北京市政协委员，上海证券交易所科技创新咨询委员会委员。

主要研究领域为碳基纳米电子学。在碳基电子器件相关材料和制备工艺的研究中做出了基础和开拓性的贡献。在Science, Nature Photonics等国际学术刊物上发表SCI收录论文400余篇，第一作者英文专著1部（High-Energy Electron Diffraction and Microscopy，牛津大学出版社），论文被引用20000余次。

获首届国家杰出青年科学基金资助。1999年被北京大学聘为教育部首批“长江学者奖励计划”特聘教授，2019年当选为中国科学院院士。从2001年起先后4次任国家“973”计划项目、国家重大科学研究计划项目、国家重点研发计划项目首席科学家，从2013年开始2次担任国家自然科学基金委员会创新研究群体负责人。项目“亚纳米碳管的稳定性研究”被选为年度中国高等学校十大科技进展（2000），入选中国基础科学研究十大新闻（2000）；“定量电子显微学方法与氧化钛纳米结构研究”获国家自然科学奖二等奖（2010）；“实现碳纳米管的高效光伏倍增效应”入选年度中国科学十大进展（2011）；“高性能碳基纳米电子器件”获高等学校科学研究优秀成果奖（科学技术）自然科学一等奖（2013）；“碳基纳米电子器件及集成”获国家自然科学奖二等奖（2016）。2009年获“全国优秀博士学位论文指导教师”称号；2013年被评为北京大学首届“十佳导师”；2015年荣获第四届首都科技盛典—推动“北京创造”的十大科技人物称号；“ 5纳米碳纳米管CMOS器件”项目被选为2017年中国高校十大科技进展。2017年获首届全国创新争先奖状奖；2018年入选人民论坛主持评选的“优秀海归人物100人”，2018年获第三届北京市华侨华人“京华奖”，2018年获得“何梁何利基金科学与技术进步奖”。

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原文传递

详情请点击论文链接: https://science.sciencemag.org/content/368/6493/850

《半导体学报》简介：

《半导体学报》是中国科学院主管、中国电子学会和中国科学院半导体研究所主办的学术刊物，1980年创刊，首任主编是王守武院士，黄昆先生撰写了创刊号首篇论文，2009年改为全英文月刊Journal of Semiconductors（简称JOS），同年开始与IOPP英国物理学会出版社合作向全球发行。现任主编是中科院副院长、国科大校长李树深院士。

2016年，JOS被ESCI收录。

2019年，JOS入选“中国科技期刊卓越行动计划”。

“中国半导体十大研究进展”推荐与评选工作简介：

《半导体学报》在创刊四十年之际，启动实施 “中国半导体年度十大研究进展”的推荐和评选工作，记录我国半导体科学与技术研究领域的标志性成果。以我国科研院所、高校和企业等机构为第一署名单位，本年度公开发表的半导体领域研究成果均可参与评选。请推荐人或自荐人将研究成果的PDF文件发送至《半导体学报》电子邮箱：[e-mail]，并附简要推荐理由。被推荐人须提供500字左右工作简介，阐述研究成果的学术价值和应用前景。年度十大研究进展将由评审专家委员会从候选推荐成果中投票产生，并于下一年度春节前公布。

JOSarXiv预发布平台简介：

半导体科技发展迅猛，科技论文产出数量逐年增加。JOSarXiv致力于为国内外半导体领域科研人员提供中英文科技论文免费发布和获取的平台，保障优秀科研成果首发权的认定，促进更大范围的学术交流。JOSarXiv由《半导体学报》主编李树深院士倡导建立，编辑部负责运行和管理，是国内外第一个专属半导体科技领域的论文预发布平台，提供预印本论文存缴、检索、发布和交流共享服务。

JOSarXiv于2020年1月1日正式上线（http://arxiv.jos.ac.cn/），通过《半导体学报》官网（http://www.jos.ac.cn/）亦可访问。敬请关注和投稿！

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