基于碳纳米管的高性能CMOS器件和集成电路研究

碳纳米管能带结构中导带和价带对称使得完全有可能制备出性能完全匹配的n型和p型晶体管，从而构建理想的CMOS电路。本项目的目标在于探索基于半导体碳纳米管的高性能CMOS器件规模集成方法，并详细探讨基于CNT的弹道 CMOS器件和电路的特征、优势和应用前景，定位碳基电路未来的地位和应用领域。主要研究内容包括：（1）解决基于CNT的n型FET和p型FET工艺的兼容性，研究主要结构参数和工艺参数对器件的主要性能的影响，通过缩减沟道长度，制备出弹道CMOS器件，通过优化器件结构和各种重要工艺参数，使两种FET的性能同时达到最佳，并且完全对称，（2）探索基于CNT的CMOS器件的规模集成方法，在此基础上进一步探索CNT CMOS电路在速度和功耗方面相对于对应硅基CMOS电路的优势。（3）探索CNT CMOS器件和电路在恶劣环境（高温、极低温、或者充斥高能射线环境）的工作能力，充分发掘其潜在的应用领域。

在项目执行三年过程中，我们锁定碳纳米管CMOS器件和电路开展研究，主要成果包括：（1）找到了更适合碳纳米管器件的规模集成方法，采用传输晶体管逻辑构建了碳纳米管集成电路，实现了全加器电路和8位总线电路，达到了50个晶体管左右的集成规模；（2）完成了栅长为15纳米的碳纳米管CMOS器件，n型和p型器件跨导均达到30uS，亚阈值斜率分别为超额完成了预定目标；（3）对器件的栅结构、栅介质和加工工艺进行了优化，大大提高了器件的性能和成品率，在一根碳管上制备器件的成品率超过80%；（4）对碳纳米管器件的优势和潜力进行了探索，特别是碳纳米管集成电路可以工作在0.4V超低的工作电压下，研究了碳纳米管顶栅器件在极端温度环境下的运行情况，发现碳管场效应晶体管在300℃到4.2K的温度范围仍然可以正常工作,探索了碳纳米管器件的交流工作的潜力，研究了碳纳米管器件的可靠性。（5）发表标注了项目基金号（61071013）的SCI论文19篇，其中影响因子大于3的论文16篇，影响因子大于7的论文12篇 ，Nature Communications (1篇)， Nature Photonics (1篇)，Nano Lett. （1篇），ACS Nano .(4篇), Adv. Func. Mater.(3篇) ，Nano Research （2篇）其它论文包括，Appl. Phys. Lett. (4), Chinese Science Bulletin (3)等，获中国美国专利授权1项、中国专利授权4项，新申请中国专利 4项。培养博士生四名（丁力、徐慧龙、王振兴、裴天），硕士生一名（石润伯），其中丁力博士获得了北京市优秀博士论文，王振兴博士获得中国真空学会博士生论文优秀奖，裴天博士获得教育部“学术新人奖”。.在项目的支持下，张志勇博士入选了2011年教育部“新世纪优秀人才计划”，2012年中组部“万人计划-青年拔尖人才计划”，2013年国家自然科学基金委“优秀青年人才计划”。在所有组员的共同努力下，本项目超额了预期的目标。