12纳米碳纳米管集成电路CMOS器件研制1、课题承担单位北京大学

12纳米碳纳米管集成电路CMOS器件研制

1、课题承担单位

北京大学纳米器件物理与化学教育部重点实验室

2、课题负责人

彭练矛，北京大学电子学系主任、纳米器件物理与化学教育部重点实验室主任、美国《应用物理杂志》副主编。从2001年起先后3次任国家“973”计划项目和国家重大科学研究计划项目首席科学家，国家自然科学基金委员会创新研究群体负责人。主要研究领域为纳电子及功能材料的合成与结构；基于纳米材料的高性能电子、光电子器件的制备，器件物理，碳基集成电路的实现和系统；纳米器件在化学、生物传感及能源方面的应用。迄今在国际学术刊物上发表SCI收录论文300余篇，论文被引用万余次。1994年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。主持的“亚纳米碳管的稳定性研究”被选为2000年中国高等学校十大科技进展，入选2000年中国基础科学研究十大新闻；“定量电子显微学方法与氧化钛纳米结构研究”项目2010年获国家自然科学奖二等奖；“实现碳纳米管的高效光伏倍增效应”项目入选2011年度“中国科学十大进展”；“高性能碳基纳米电子器件”项目获2013年度高等学校自然科学奖一等奖。2015年荣获推动“北京创造”的十大科技人物称号。

3、课题简介

作为当代信息技术的基石，硅基CMOS技术将在2020年左右达到其性能极限。碳纳米管作为一种具有超高载流子迁移率的准一维材料，被普遍认为是构建高性能晶体管的理想材料。2009年国际半导体技术发展路线图委员明确向半导体行业推荐重点发展碳纳米管电子学，作为可能在未来10-15年显现商业价值的下一代电子技术。碳纳米管1991年被发现至今已有二十余年，虽然基于碳纳米管材料的电子学研究取得了长足的进展，但由于诸多材料挑战和关键器件制备技术难题，栅长小于50纳米的高性能碳纳米管CMOS器件从来没有被实现过，这使得研究人员始终无法准确把握碳纳米管电子学在未来信息处理技术中的地位。

在北京市技术创新行动计划课题支持下，彭练矛课题组采用自主发展的“无掺杂CMOS”技术，成功开发了亚12纳米的碳纳米管顶栅CMOS场效应晶体管器件的制备技术。制备出栅长为10纳米的碳纳米管CMOS器件，n型和p型晶体管性能完全对称，并且在0.4V的工作电压下，两类器件的亚阈值斜率均小于70 mV/dec，开态电流可达，本征门延时优于0.07 ps，所制备的器件整体长度（pitch size）为50-60纳米。课题还演示了基于碳纳米管的弹道CMOS反相器电路，电路的pitch size 小于250纳米。所有器件指标均达到预期目标，碳纳米管CMOS器件的主要性能指标远优于国际上已发表的最好水平。

对速度和功耗等关键性能参数的定量评估揭示，课题组实现的碳纳米管p型和n型器件在相对于同样尺寸的硅基对应器件整体上具有5倍左右的优势，而且，随着特征尺寸的缩减，这种优势越发显著。本课题的研究成果表明在10纳米以下技术节点，碳纳米管CMOS器件相对于硅基CMOS器件将具有明显优势，这将大大增强研究机构和芯片公司对碳纳米管电子学的信心，为2020年之后的集成电路技术的发展和选择提供了重要的参考。

课题组将继续优化碳纳米管CMOS器件制备工艺，建立标准的碳基CMOS器件技术加工和模拟、设计平台，并基于该标准平台展示其演示集成电路产品，将该技术逐步推向应用。最终推动2020年后中国碳基集成电路产业的形成，促进碳纳米管芯成为下一代主流的通用芯片技术，形成全链条的高性能碳基芯片产业和系列的相关产品。