北京大学彭练矛-张志勇教授课题组在碳纳米管集成电路研究中取得重要进展

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半导体碳纳米管具有超高的载流子迁移率和极小的直径，是构建亚10nm场效应晶体管和集成电路的理想沟道材料。理论研究表明，与传统的半导体器件和集成电路相比，在10nm技术节点以下，碳纳米管器件和集成电路在速度、功耗方面具有巨大优势，因此被认为是未来最有可能替代现有硅基CMOS（互补金属氧化物半导体）集成电路、延续摩尔定理的信息器件技术之一。
经过近20年的研究，碳纳米管电子学在器件物理、器件制备和优化、简单集成电路和系统演示方面取得长足进展。然而，由于受限于材料和加工工艺问题，碳纳米管晶体管的制备规模、成品率和均匀性始终难以达到较高水平，限制了碳纳米管集成电路技术进一步向产业化发展。
北京大学信息科学技术学院、纳米器件物理与化学教育部重点实验室彭练矛-张志勇教授课题组针对如何将碳纳米管从晶体管推向集成电路的世界性难题开展系统研究，并于近期取得重要进展。课题组成员、信息学院博士研究生陈冰炎等通过对碳纳米管材料、器件尺寸与结构、制备工艺的优化，实现了成品率100%的碳纳米管晶体管批量制备。统计测量结果表明，器件具有良好的性能均匀性，特别是其阈值标准偏差低至34mV，已接近商用65nm技术节点硅基CMOS晶体管的水平。根据碳纳米管晶体管的性质，他们设计和构建了一系列逻辑门、锁存器、移位器等电路基本单元，使其可在较低电压下工作，并实现了轨对轨（rail-to-rail）输出；以此为基础，在世界上首次实现了碳纳米管四位全加器电路和两位乘法器电路，其中四位加法器逻辑深度为12，包含140个晶体管，是目前集成度最高、复杂性最强的碳纳米管集成电路。受益于对器件均匀性的良好控制，碳纳米管集成电路全部可实现1～2V的单一电源供电。以上结果均显示出碳纳米管技术已具备制作大规模集成电路的能力，有望大大加快碳纳米管集成电路的实用化进程。

2016年8月初，陈冰炎为第一作者的相关研究论文以《高均匀性碳纳米管场效应管与中等规模集成电路》（“Highly uniform carbon nanotube field-effect transistors and medium scale integrated circuits”）为题，在线发表于美国化学会重要期刊《纳米快报》（Nano Letters，DOI:10.1021/acs.nanolett.6b02046）。该项研究得到科技部、国家自然科学基金委员会、北京市科学技术委员会等单位的资助。所用高纯半导体碳纳米管材料由中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所的李清文研究员课题组提供。

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