【材料】随机取向碳纳米管薄膜晶体管在数字电路中应用潜力的探索学术资讯

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半导体碳纳米管被认为是构建纳米晶体管的理想沟道材料，有望推动未来电子学的发展。在过去的二十年内，基于碳纳米管的器件和电路得到广泛的研究，并在器件物理、性能研究探索、电路制备方面取得了巨大进展。然而，碳基电子学的进一步发展，特别是碳基集成电路的实用化推进，很大程度上依赖于大面积制备、高半导体纯度的高质量碳纳米管材料。构建碳基集成电路的理想材料是平行排列的高密度半导体碳纳米管阵列，但是目前的制备技术还难以实现。在现阶段的所有碳管材料中，发展最为成熟、最适合构建集成电路的是随机取向的高半导体纯度的碳纳米管薄膜，这种薄膜材料已经广泛用来制备各种晶体管和集成电路，包括基本逻辑门、半加器、全加器、环振等电路。但是由于随机取向碳管薄膜的无序性，人们一直认为其更适合对性能要求不高的器件或电路，比如平板显示驱动晶体管以及柔性、瞬态、透明电路等等。近年来，随着材料纯度和质量的不断提升，基于随机取向的碳纳米管薄膜晶体管和电路性能也进一步提升，并尝试用于高性能的数字集成电路，但是，这种晶体管在性能和功耗方面是否能够满足高性能数字集成电路的标准，尚需要从器件物理性质上研究。

北京大学电子科学系、纳米器件物理与化学教育部重点实验室的张志勇、彭练矛课题组研究了随机取向碳纳米管薄膜晶体管的性能极限，探索了晶体管的横向尺寸和纵向尺寸微缩规律，发现尽管尺寸缩减可以提升器件性能，但是同时也会明显损坏亚阈值摆幅。统计的实验结果表明，随机取向碳管薄膜晶体管的开态性能（跨导）和关态性能（亚阈值摆幅）之间存在明显的相互制约规律。该课题组通过实验和理论结合，揭示了这种开、关态相互制衡的现象主要是由于薄膜中碳管的方向是随机无序分布而引起的。分布方向随机的碳管会引起薄膜器件中单管阈值和电流大小的离散分布，从而导致亚阈值摆幅变差和最大跨导增长梯度变缓，导致亚阈值摆幅与最大跨导之间的制衡折衷现象。最终，课题组通过平衡亚阈值摆幅和跨导，兼顾晶体管的开态与关态，使得栅长为120纳米的随机取向碳管薄膜晶体管可能满足大规模数字集成电路的需求。

该工作发表在材料领域国际著名期刊《先进功能材料》（Adv. Funct. Mater.）上，并被选为内封面文章，北京大学电子学系、纳米器件物理与化学教育部重点实验室的博士生赵晨怡为第一作者，张志勇教授和彭练矛教授为共同通讯作者。该课题得到国家重点研发计划、国家自然科学基金委、北京市科委等项目的支持。

图1. 随机取向碳纳米管薄膜晶体管的示意图

图2. A：随机取向碳纳米管薄膜晶体管跨导与亚阈值摆幅关系图；B：满足大规模数字集成电路需求的器件（栅长120纳米）特征曲线图

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