【复材资讯】北京大学张志勇教授课题组提出了集成电路碳纳米管材料的要求

随着物理极限、功耗、成本等诸多挑战，硅基商用晶体管尺寸的缩小。为满足集成电路对集成度和计算能力的需求，迫切需要引入新原理、新结构、新材料设备。碳纳米管半导体型阵型（A-CNT）基于该材料制备的互补金属氧化物半导体场效应晶体管场效应，具有高载流子迁移率、超薄体和对称能带结构。（CMOS FET）电学性能几乎是对称的，90 nm节点A-CNT 超过硅基28的FET性能 nm节点装置，并且显示进一步减少到10。 nm节点潜力，是构建未来集成电路的理想设备。需要晶圆级优质半导体碳纳米管材料，实现碳基集成电路技术从原型设备到工程化集成的飞跃。碳基集成电路技术需要晶圆级优质半导体碳纳米管材料，从原型设备到工程化集成。经过30多年的发展，学术界发展了系统丰富的碳纳米管材料制备技术。但目前电子碳纳米管材料，尤其是A-CNT材料，一直缺乏具体的要求和标准，在一定程度上阻碍了碳基集成电路的发展。

近日，北京大学电子学院、碳基电子研究所张志勇教授课题组与浙江大学材料科学与工程学院金传洪教授课题组合作，从高性能电子设备和集成电路的角度，对A-CNT材料进行了深入的研究和系统分析，提出了详细的要求和标准。

结合理论计算实验结果，团队对90 nm、22 nm、7 nm、3 Nm技术节点A-CNT 根据未来集成电路对晶体管性能的要求，预测FET的电学性能，提出对阵型碳纳米管密度的要求(图1 a）。结果表明，在相同的节点下，A-CNT 与硅基CMOS器件相比，CMOS器件显示了4-6倍的能量延迟积累。（EDP）优势（图1 b），突出其在未来高性能数字集成电路中的应用潜力。

图1 对阵型碳纳米管的密度要求，晶体管的性能比较

该团队进一步表征了当前A-CNT中的外观缺陷(图2 a-e），探讨各种外观缺陷对晶体管电学性能波动的影响，结合集成电路对设备均匀性的需求，对碳管外观提出要求(图2 f-k）。在此基础上，提出了包括碳管密度、直径、长度、半软管纯度、方向、相邻管间隔变化等关键参数在内的电子级A-CNT材料标准(表1)。

图2 碳纳米管的形状缺陷和材料均匀性要求

表1 高性能集成电路用阵型碳纳米管材料标准

同时，团队展望了未来碳基集成电路技术与材料的协同优化路线(图3)，综合评价了目前学术界发展的几种典型A-CNT制备方法(图4)，为电子A-CNT材料的制备技术发展提供了重要指导。

图3 碳基集成电路材料，技术发展路线图

图4 碳纳米管阵型制备方法评定

有关研究成果被称为“未来集成电路中使用的碳纳米管材料”（Carbon nanotube materials for future integrated circuit applications）8月6日，材料领域顶级期刊在线发表论文。《Materials Today》。北京大学电子学院2022级博士生《雨萌》是第一作者，北京大学电子学院张志勇教授、浙江大学材料科学与工程学院金传洪教授是共同的交流作者。

文章原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.mattod.2024.07.008

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