Nature子刊：将溶液处理的自组织碳纳米管用于高速逻辑集成电路

【引言】

在过去的几年里，研究者们已经将碳纳米管（CNT）基场效应晶体管（FETs）推向了10nm以下沟道长度的水平，其接触长度使用了一种新型的点接触组合，这种场效应晶体管没有表现出阈值以下涨落的衰减。尽管这是在单个纳米管上表现出来的，但也完美证明了将这种纳米材料应用在超尺度晶体管中的独特优势，同时提供了发展大规模CNT逻辑技术的强烈动机。因此，研究者们已经探索了将数百个CNT基晶体管构建复杂集成电路的可能性，并实现了单比特处理器和中等规模逻辑功能或基于渗流输运的CNT薄膜晶体管。然而，尽管功能性上的成功获得作为这些工作的主要目标已经实现，但是一些极其重要的技术需求仍未解决。特别地，如果将CNT基FETs作为实现高性能逻辑技术的候选，那么晶圆上的CNT阵列就必须表现出较低的缺陷密度并同时实现n-和p-沟道FETs的存在。

【成果简介】

近日，来自IBM托马斯沃森研究中心的Shu-Jen Han（通讯作者）等人研究了溶液处理的自组织碳纳米管在高速逻辑集成电路中的应用，相关的研究成果以“High-speed logic integrated circuits with solutionprocessed self-assembled carbon nanotubes”为题发表在了2017年6月3日出版的Nature Nanotecnology上。

本文报道了一种使用完全可制造过程得到的高性能互补碳纳米管环形振荡器，其阶段切换频率高达2.82GHz。此电路基于溶液处理过程构建，其中使用的自组织碳纳米管具有99.9%的半导体纯度，其互补特性是利用两种不同功函数的电极实现的。

【图文导读】

图1 互补CNT环形振荡器

（a）包括八步光刻在内的环形振荡器制作过程图示

（b）完整的五段CNT环形振荡器的伪色扫描电镜图

（c）CNT布局中单个CNT p通道FET（PFET）沟道结构的扫描电镜放大图

图2 HfO₂栅极电介质中具有高产率和氧清除能力的CNT n通道FETs

（a）在漏极电压为0.5V下具有40nm接触长度的Sc接触纳米管晶体管的传输特性

（b）150℃热处理前（左）后（右）HfO₂/Sc堆叠的透射电镜图和对应的能量色散X射线谱

图3 基于溶剂的CNT阵列和布局方式

（a）为了与溶剂中从聚合物提取得到的CNT溶液兼容的基于重氮化合物化学的布局过程

（b）将CNT置于HfO₂/Al₂O₃沟道中的扫描电镜俯视图

（c）作为环形振荡器在相同基底上制作的192 p沟道FETs的传输曲线

图4 环形振荡器的电学表征

（a）在一个换流器中不同电压下p沟道和n沟道FET对的传输曲线

（b）不同栅偏压下（a）中器件的输出特性

（c）从（a）中晶体管对得到的换流器噪声容限

（d）利用高速数字示波器测量的CNT环形振荡器输出波形

（e）电路持续偏压为1.3V时环形振荡器输出频率与时间的函数关系

【小结】

在成功实现了CNT晶体管的可扩展性后，本文得到了可用于任何逻辑技术中的终极基准电路——CMOS CNT环形振荡器。相比于其他任何纳米材料基器件，本文得到的器件实现了空前优异的性能，利用纯化-固定的思路，确保了本文中所有的过程都是可扩展并且能实现可制造性。自从CMOS环形振荡器作为直接反映技术成熟度的标志以来，人们期待已久的将这种极具前景的材料用于实际技术中这一重要议题正在被大力解决着。

文献链接：High-speed logic integrated circuits with solutionprocessed self-assembled carbon nanotubes（Nat. Nanotech., 2017, DOI: 10.1038/NNANO.2017.115）

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