随着硅基商用晶体管尺寸的不断缩减，物理极限、功耗和成本等挑战日益凸显，为了满足集成电路对集成度和计算能力的需求，亟需引入新原理、新结构和新材料。半导体型阵列碳纳米管（A-CNT）因其高载流子迁移率、超薄结构和对称能带等优越特性，成为研究的热点。基于A-CNT制备的互补金属氧化物半导体场效应晶体管（CMOS FET）在电学性能上几乎呈现对称性（Science 368, 850, 2020; Nature Electronics 4, 405, 2021; ACS Nano 16, 21482, 2022）。90 nm节点的A-CNT FET性能已经超越了硅基28 nm节点器件，并展现出进一步缩减至10 nm节点的潜力（Nature Electronics 6, 506-515, 2023），被认为是构建未来集成电路的理想器件。
然而，实现碳基集成电路技术从原型器件到工程化集成的跨越，仍然需要晶圆级高质量的半导体碳纳米管材料。尽管经过30余年的发展，学术界已经在碳纳米管材料制备技术上取得了丰富的成果，但目前电子级碳纳米管材料，特别是A-CNT材料，缺乏具体要求和标准，这在一定程度上阻碍了碳基集成电路的发展。
近日，北京大学电子学院、碳基电子学研究中心张志勇教授课题组与浙江大学材料科学与工程学院金传洪教授课题组合作，从高性能电子器件和集成电路的角度，对A-CNT材料进行了深入研究与系统分析，并提出了详细的要求和标准。通过实验结果结合理论计算，团队对90 nm、22 nm、7 nm、3 nm技术节点的A-CNT FET的电学性能进行了预测，并基于未来集成电路对晶体管性能的要求，提出了对阵列碳纳米管密度的要求（图1 a）。
研究结果显示，相同节点下，A-CNT CMOS器件相比于硅基CMOS器件在能量延时积（EDP）方面具有4-6倍的优势（图1 b），这凸显了A-CNT在未来高性能数字集成电路中的应用潜力。团队还对目前A-CNT中存在的形貌缺陷进行了表征（图2 a-e），讨论了各形貌缺陷对晶体管电学性能波动的影响，并结合集成电路对器件均一性的要求，提出了对碳管形貌的具体要求（图2 f-k）。
基于以上研究，团队制定了电子级A-CNT材料的标准（表1），包括碳管密度、直径、长度、半导体纯度、取向和相邻管间距变化等关键参数。同时，研究展望了未来碳基集成电路技术和材料的协同优化路线（图3），对目前学术界发展的几种典型A-CNT制备方式进行了综合评估（图4），为电子级A-CNT材料的制备技术发展提供了重要指导。
图1：阵列碳纳米管密度要求、晶体管性能对比
图2：阵列碳纳米管形貌缺陷与材料均一性要求
表1：高性能集成电路用阵列碳纳米管材料标准
图3：碳基集成电路材料、技术发展路线图
图4：阵列碳纳米管制备方式评估
注：相关研究成果以题为“用于未来集成电路应用的碳纳米管材料”（Carbon nanotube materials for future integrated circuit applications）的论文，于8月6日在线发表于材料领域顶级期刊《Materials Today》。北京大学电子学院2022级博士研究生昃雨萌为第一作者，北京大学电子学院张志勇教授和浙江大学材料科学与工程学院金传洪教授为共同通讯作者。
论文原文链接：https://doi.org/10.1016/j.mattod.2024.07.008
说明：本文部分素材来自网络公开信息，由作者重新编写，转载请备注来源，本平台发布仅为了传达一种不同观点，不代表对该观点赞同或支持。
