中国半导体十大研究进展候选推荐（2023-010）——先进节点碳基集成电路

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工作简介

         ——先进节点碳基集成电路

集成电路的发展主要方式是通过缩减晶体管尺寸提高性能和集成度，同时降低功耗和制造成本。随着5 nm及以下节点CMOS技术逐渐应用于商用超大规模集成电路中，硅基晶体管的继续微缩面临着来自功耗、成本甚至是物理极限的限制。为了继续推进集成电路的发展，学术界和工业界对未来电子学的核心材料、器件结构以及系统架构进行了广泛探索和深入研究。其中，最受关注的方式就是采用超薄、高载流子迁移率的半导体构建比硅基晶体管具有更好可缩减性和更高性能的CMOS器件。碳纳米管晶体管已经展现出超越商用硅基晶体管的潜力，因此在未来的数字集成电路应用中被寄予厚望。然而，大多数研究工作关注器件的栅长缩减，因此并未真正展现碳纳米管晶体管在集成度方面的潜力。栅间距（CGP）是衡量晶体管集成密度的关键特征尺寸，而当前学术界展示的基于碳纳米管或者其他低维半导体的晶体管栅间距普遍较大（一般大于400 nm），无法真正实现高密度集成。因此，探索在受限的栅间距下，碳纳米管晶体管和电路相对于主流硅基技术的性能优势，并制定碳纳米管的一代技术指标，对于碳纳米管技术的标准化具有重要意义。

北京大学电子学院、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-彭练矛联合课题组首次展示了基于阵列碳纳米管的90 nm节点晶体管和电路，探索了将碳基晶体管进一步缩减到10 nm节点的可能性。课题组利用前期发展的晶圆级高密度和高半导体纯度（~ 300 CNT/μ，99.9999%，Science 368, 850, 2020）碳纳米管阵列薄膜，同时缩减晶体管栅长和源漏接触长度（接触长度  L_con = 80 nm，栅长L_g = 85 nm），制备出CGP为175 nm的碳纳米管场效应晶体管，开态电流达到2.24 mA/μm，峰值跨导g_m为1.64 mS/μm，性能超过硅基商用45 nm节点器件（图1）。

图1. 90 nm节点高性能阵列碳管晶体管。

在此基础上，通过器件版图的优化，制备了整体面积仅为0.976 μm²的6晶体管（6T）静态随机存取存储器（SRAM）单元，和90 nm 节点商用硅基CMOS工艺的SRAM单元面积（1 μm²）相对应（图2）。在主流数字集成电路技术中，SRAM单元面积是衡量实际集成密度的重要参数。尽管大量的研究工作演示了碳纳米管或者低维半导体材料的6T SRAM，但是单元面积（均大于2000 μm²）远远大于硅基90 nm节点的SRAM单元。本工作是首次采用非硅基半导体材料制备出整体面积小于1 μm²的6-T SRAM电路，表明碳基数字集成电路完全可以满足90纳米技术节点的集成度需求。

图2. 90 nm节点碳管6T SRAM单元。

 

课题组进一步探索了碳基晶体管缩减的可能性，提出全接触（Full Contact）结构，结合了侧面接触（Side Contact）和末端接触（End Contact）的载流子注入机制，器件表现出更低的接触电阻（~ 90 Ω·μm），同时具有更弱的接触长度依赖性。基于Full Contact结构，课题组将碳管晶体管CGP缩减至55 nm，对应10 nm技术节点，同时性能优于硅基10 nm 节点PMOS晶体管，该结果表明阵列碳管晶体管在先进技术节点高性能数字集成电路中具有巨大潜力（图3）。

图3. 基于Full Contact结构实现亚 10 nm节点阵列碳管晶体管。
相关研究成果以题为“微缩阵列碳纳米管晶体管至亚10 nm 节点”（Scaling aligned carbon nanotube transistors to a sub-10 nm node）的论文，于7月17日在线发表于《Nature Electronics》。北京大学前沿交叉学科研究院2018级博士研究生林艳霞和碳基电子学研究中心曹宇副研究员为共同第一作者，北京大学电子学院、碳基电子学研究中心、北京元芯碳基集成电路研究院彭练矛教授和张志勇教授为共同通讯作者，浙江大学金传洪教授、香港大学徐琳博士等为合作作者。

上述研究得到、国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的资助以及北京大学微纳加工实验室校级平台的支持。

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作者简介

第一作者

曹宇，北京大学碳基电子学研究中心副研究员。

主要从事碳纳米管电子学方面的研究，解决了碳纳米管电子学方面的多项技术难点，包括90 nm技术节点碳纳米管晶体管的尺寸缩减问题、制备出首个面积不超1 μm²的碳纳米管静态随机存取存储器SRAM、首个ft和fmax均超过70GHz的碳纳米管射频晶体管、首个弯曲半径达40 μm的碳纳米管器件和电路、首个碳纳米管和氧化铟镓锌异质集成的大规模集成电路等。在Nature Electronics, Nature Communications, ACS Nano, Nano Research等学术期刊上发表多篇SCI论文。获北京大学微电子学理学学士学位、经济学学士学位（双学位），美国南加州大学电子工程博士学位。曾担任美国英特尔公司（Intel）逻辑技术研发部工艺集成工程师，入选中国科学院率先行动“百人计划”、北京市优秀人才培养资助青年骨干个人。

通讯作者

张志勇，北京大学电子学院教授，纳米器件物理与化学教育部重点实验室主任，北京大学碳基电子学研究中心副主任。

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CMOS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200余篇，SCI他引11000余次，H因子56。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。曾入选国家基金委杰出青年基金、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项目等10项国家级项目和5项省部级项目。

通讯作者

彭练矛，北京大学电子学院教授，中国科学院院士，北京大学电子学院院长、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, Nature Electronics, 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；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://www.nature.com/articles/s41928-023-00983-3

《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。现任主编是李树深院士。2019年，JOS入选“中国科技期刊卓越行动计划”。2020年，JOS被EI收录。2023年，JOS首获影响因子为5.1，排在凝聚态物理学科20/76。

“半语-益言”系列讲座

借一言半语，聊“核芯”科技，“半语-益言”全三季直播讲座回放链接：

https://www.koushare.com/topicReview/byyy/68

2023年第四季直播讲座将不定期举办，敬请关注。

“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》于2020年初启动实施 “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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