碳纳米管数模混合集成电路研究

Carbon nanotube is the ideal material for building high performance electronic devices, but the devices and circuits based on carbon nanotubes, which has been reported, are either digital circuits or analog circuits and their function is too simple to satisfy the need of modern complicated high performance system. In this project, we explore that how to build carbon nanotube hybrid (digital and analog) integrated circuits, which could receive and process (arithmetic or logic operation) modulated signal, and output the resultant signal. The carbon nanotube hybrid integrated circuits have wide application in future electronics field because of the flexibility and transparency of carbon nanotube. The research works should focus on four aspects as follows: 1) explore the scalable process to fabricate high performance carbon nanotube transistors for digital and analog transistors; 2) explore the multilayer metal interconnection process of carbon nanotube integrated circuits; 3) research on the method to design and simulate digital and analog integrated circuits based on carbon nanotube; 4) realize the on-chip hybrid integration of carbon nanotube digital and analog circuits.

碳纳米管是构建高性能电子器件的理想材料，但是目前已经报道的基于碳纳米管的器件和电路或是数字，或是模拟，功能单一，无法满足现代复杂高性能系统的需求。本项目拟探索碳纳米管数字/模拟混合集成电路的构建，实现能够接收调制信号，并对信号进行加工处理，最终输出信号的功能。由于碳纳米管材料具有柔性、透明等特点，碳管混合电路在未来电子学领域有广阔应用前景。主要研究内容包括：1）探索高性能碳纳米管数字和模拟晶体管的规模制备工艺；2）探索碳纳米管集成电路的多层金属互联工艺；3）研究碳纳米管数字和模拟集成电路的设计和仿真方法；4）实现碳纳米管模拟和数字电路的在片混合集成。

碳纳米管是构建高性能电子器件的理想材料，但是目前已经报道的基于碳纳米管的器件和电路或是数字，或是模拟，功能单一，无法满足现代复杂高性能系统的需求。本项目已成功探索碳纳米管数字/模拟混合集成电路的构建，实现能够接收调制信号，并对信号进行加工处理，最终发射信号的功能，展现了碳基集成电路在未来电子学领域广阔的应用前景。主要研究内容包括：1）探索高性能碳纳米管数字和模拟晶体管的规模制备工艺；2）研究碳纳米管数字和模拟集成电路的设计和仿真方法；3）实现碳纳米管模拟和数字电路的在片混合集成。通过本项目的研发，取得的主要研究成果包括：1）实现高性能碳纳米管薄膜晶体管的规模制备，晶体管沟道长度在130纳米~3微米，特征频率大于30MHz。在短沟道情况下，利用虚源模型（Virtual Source），从实测晶体管性能数据中提取到载流子迁移率大约在1300 cm^2/V·s。通过工艺研发，可以在4寸晶圆上，实现碳管器件的规模制备，每个Die上集成了超过1000个碳纳米管晶体管，器件成品率超过99%；2）基于碳纳米管薄膜器件实现混合电路系统所需的各种基本功能电路，包括模拟电路模块（放大器，调制解调器），数字电路模块（各种逻辑门电路等），模拟集成子系统和数字集成子系统（信号接收与发射等）；3）研制出世界上首个基于碳纳米管的数字/模拟混合电路系统，能够实现有调制的信号接收、加工处理和输出信号的功能（实现了智能卡系统和物联网界面转换系统）。本项目取得的研究成果，不仅可以推动碳基信息电子器件技术的发展，还有利于建立具有自主知识产权的芯片能力，加强我国军事信息安全，为武器装备集成一体化微系统奠定基础。