国产5nm碳纳米管研究新突破，摩尔定律有救了

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编者按：恭喜彭练矛-张志勇课题组在Science上发表5纳米碳纳米管CMOS器件结果，将晶体管性能推至理论极限。

集成电路发展的基本方式在于晶体管的尺寸缩减，从而性能和集成度，得到更快功能更复杂的芯片。 目前主流CMOS技术即将发展到10纳米技术节点，后续发展将受到来自物理规律和制造成本的限制，很难继续提升，“摩尔定律”可能面临终结。

20多年来，科学界和产业界一直在探索各种新材料和新原理的晶体管技术，以望替代硅基CMOS技术。 但是到目前为止，并没有机构能够实现10纳米的新型CMOS器件，而且也没有新型器件能够在性能上真正超过最好的硅基CMOS器件。

碳纳米管被认为是构建亚10纳米晶体管的理想材料，其原子量级的管径保证了器件具有优异的栅极静电控制能力，更容易克服短沟道效应；超高的载流子迁移率则保证器件具有更高的性能和更低的功耗。

理论研究表明碳管器件相对于硅基器件来说具有5-10倍的速度和功耗优势，有望满足后摩尔时代集成电路的发展需求。 但是已实现的最小碳纳米管CMOS器件仅停滞在20nm栅长（2014年 IBM），而且性能远远低于预期。

北京大学信息科学技术学院彭练矛-张志勇课题组在碳纳米管电子学领域进行了十多年的研究，发展了一整高性能碳纳米管CMOS晶体管的无掺杂制备方法，通过控制电极功函数来控制晶体管的极性。

彭练矛教授（左）和张志勇教授（右）

5nm技术节点实现突破

近年来，该课题组通过优化器件结构和制备工艺，首次实现了栅长为10纳米的碳纳米管顶栅CMOS场效应晶体管（对应于5纳米技术节点），p型和n型器件的亚阈值摆幅（subthreshold swing, SS）均为70 mV/DEC。

器件性能不仅远远超过已发表的所有碳纳米管器件，并且更低的工作电压（0.4V）下， p型和n型晶体管性能均超过了目前最好的（Intel公司的14纳米节点）硅基CMOS器件在0.7V电压下工作的性能。特别碳管CMOS晶体管本征门延时达到了0.062ps，相当于14纳米硅基CMOS器件（0.22ps）的1/3。

图 1：10纳米栅长碳纳米管CMOS器件。A： n型和p型器件截面图和栅堆垛层截面图；B-C: p型和n型碳管器件的转移曲线以及与硅基CMOS器件（Intel, 14nm, 22nm）的对比。D:碳管器件的本征门延时与14nm硅基CMOS对比。

课题组进一步探索5nm栅长（对应3纳米技术节点）的碳管晶体管。采用常规结构制备的栅长为5纳米的碳管晶体管容易遭受短沟道效应和源漏直接隧穿电流影响，即使采用超薄的高k栅介质（等效氧化层厚度0.8纳米），器件也不能有效地关断，SS一般大于100mV/Dec。课题组采用石墨烯作为碳管晶体管的源漏接触，有效地抑制了短沟道效应和源漏直接隧穿，从而制备出了5纳米栅长的高性能碳纳米管晶体管，器件亚阈值摆幅达到73mV/Dec。

图2：5纳米栅长碳管晶体管。A：采用金属接触的碳管晶体管截面TEM图，以及采用石墨烯作为接触的碳管晶体管SEM图；B:石墨烯作为接触的碳管晶体管示意图；C：栅长为5纳米的碳管晶体管的转移曲线。

性能遥遥领先传统硅器件

在此基础上，课题组全面比较了碳纳米管CMOS器件的优势和性能潜力。研究表明，与相同栅长的硅基CMOS器件相比，碳纳米管CMOS器件具有10倍左右的速度和动态功耗（能耗延时积， EDP）综合优势，以及更好的可缩减性。

对实验数据分析表明，5纳米栅长的碳管器件开关转换仅有约1个电子参与，并且门延时达到了42fs，非常接近二进制电子开关器件的极限（40fs），该极限由海森堡测不准原理和香农-冯诺依曼-郎道尔定律（SNL）决定。表明5纳米栅长的碳纳米管晶体管已经接近电子开关的物理极限。

图3： 碳纳米管CMOS器件与传统半导体器件的比较。A： 基于碳管阵列的场效应晶体管结构示意图；B-D：碳管CMOS器件（蓝色、红色和橄榄色的星号）与传统材料晶体管的亚阈值摆幅（SS），本征门延时和能量延时积的比较。

课题组研究了接触尺寸缩减对器件性能的影响，探索了器件整体尺寸的缩减。将碳管器件的接触电极长度缩减到25纳米，在保证器件性能的前提下，实现了整体尺寸为60纳米的碳纳米管晶体管，并且成果演示了整体长度为240纳米的碳管CMOS反相器，这是目前实现的最小纳米反相器电路。

该工作2017年1月20日在线发表在美国科学促进会的旗舰期刊《科学》（Science）上，DOI: 10.1126/science.aaj1628。链接长按下方二维码访问：

北京大学信息科学技术学院博士后邱晨光是第一作者，张志勇教授和彭练矛教授为共通通讯作者。

北京大学信息科学技术学院博士后邱晨光

该成果的重要意义

这是中国首次掌握了世界上最先进的晶体管技术，如果能加以推广，将会成为未来最先进的芯片制造技术。这种新技术的出现，使得国内半导体制造首次有机会引领世界领先水平。

硅基技术即将发展到尽头，传统芯片的性价比提升空间非常小。Intel, 三星，TSMC三大巨头，特别是Intel一直在寻找新一代半导体器件技术，但是新的技术在原有硅基技术上提升非常有限。我们的掌握的碳管技术与最先进的硅基技术相比性能上六代以上的优势，约20年的发展。 所以，如果碳基技术实现产业化，将有可能彻底改变半导体制造行业的格局，Intel，三星和台积电的优势不复存在，而我国会拥有最先进的芯片技术。

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器件具有明显优势，且有望达到由测不准原理和热力学决定的二进制电子开关的性能极限。

该项研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金委员会优秀青年基金、创新群体和面上项目资助，同时也得到北京市科学技术委员会等单位的资助。

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