近日，北京大学彭练矛院士，邱晨光研究员，刘飞研究员等人发表了题为“ Realizing Boltzmann Switching Limit in Carbon Nanotube Transistors through Combating Intertube Electrostatic Coupling 的工作于ACS Nano期刊上。
本文研究了通过双栅结构克服碳纳米管（CNT）之间的电静力耦合，以实现碳纳米管晶体管（CNT-FET）的玻尔兹曼开关极限。研究发现，高密度对齐碳纳米管（A-CNT）在传统单栅配置中因堆叠导致显著的带隙缩窄（BGN），从而影响其固有的准一维电静力优势。通过理论模拟和实验验证，提出了一种有效的双栅结构，能够显著降低BGN效应，使A-CNT FET的亚阈值摆动（SS）达到玻尔兹曼热发射极限60mV/decade，并实现超过10^6的开关电流比。此外，制备的10nm超短栅A-CNT双栅FET展现出高饱和电流（超过1.8mA/μm）、高峰值跨导（2.1mS/μm）和低静态功耗（10nW/μm）等优异性能，满足先进集成电路的要求。
背景
【资料图】
随着集成电路（IC）技术的发展，硅基金属氧化物半导体（MOS）场效应晶体管（FET）的缩放接近其基本物理极限。碳纳米管（CNT）因其原子级厚度和独特的电学性质，被认为是后硅时代有前景的材料，有望在提高晶体管性能的同时降低功耗。高纯度对齐碳纳米管（A-CNT）因其高电流密度，成为驱动先进IC的理想选择。然而，当通道长度（Lch）降低到30nm以下时，单栅（SG）A-CNT FET的性能显著下降，主要表现为开关特性恶化和漏电流增加。本文旨在通过理论和实验研究，揭示A-CNT FET性能下降的机制，并提出解决方案。
主要内容
本文通过理论模拟和实验验证，研究了高密度对齐碳纳米管（A-CNT）在短通道FET中的性能退化机制，并提出了一种有效的双栅（DG）结构来克服这些挑战。研究发现，A-CNT的堆叠导致显著的带隙缩窄（BGN），从而影响其固有的准一维电静力优势。通过密度泛函理论（DFT）模拟，研究了堆叠CNT之间的电静力耦合对电子输运的影响，并发现双栅结构能够有效抑制BGN效应，显著改善A-CNT FET的开关特性。实验中，制备了10nm超短栅A-CNT双栅FET，并展示了其优异的开关特性，包括接近玻尔兹曼极限的亚阈值摆动（SS）、高饱和电流和低漏电流等性能指标。
实验细节
实验中，首先通过化学气相沉积法（CVD）合成了高密度A-CNT薄膜，并通过液相过滤和超声处理等步骤，制备了高纯度的A-CNT溶液。然后，通过溶液滴涂法将A-CNT薄膜转移到硅基底上，并通过电子束光刻（EBL）和感应耦合等离子体（ICP）刻蚀等工艺，定义了器件的有源区域。接着，通过电子束蒸发（EBE）技术在基底上沉积了金（Au）和钯（Pd）等金属层，形成了源极和漏极电极。最后，通过电子束蒸发技术在源极和漏极电极上沉积了4nm厚的氧化铪（HfO2）作为栅介质，并在顶部形成了双栅结构。
创新点
双栅结构的提出：通过理论模拟和实验验证，提出了一种有效的双栅结构，能够显著降低A-CNT FET中的BGN效应，使亚阈值摆动（SS）达到玻尔兹曼热发射极限60mV/decade。
性能指标的提升：制备的10nm超短栅A-CNT双栅FET展现出高饱和电流（超过1.8mA/μm）、高峰值跨导（2.1mS/μm）和低静态功耗（10nW/μm）等优异性能，满足先进集成电路的要求。
理论与实验的结合：通过DFT模拟和非平衡格林函数（NEGF）方法，深入研究了A-CNT FET的电子输运特性，为双栅结构的设计提供了理论支持。
结论
本文通过理论模拟和实验验证，成功实现了A-CNT FET的玻尔兹曼开关极限。制备的10nm超短栅A-CNT双栅FET展现出优异的开关特性，包括接近玻尔兹曼极限的亚阈值摆动（SS）、高饱和电流和低漏电流等性能指标。这些结果表明，双栅结构能够有效抑制A-CNT FET中的BGN效应，显著改善其开关特性。尽管取得了这些进展，但CNT FET仍面临一些挑战，如实现晶圆级CNT阵列的原子级清洁度和实现平衡的CMOS性能。未来的研究将致力于解决这些挑战，推动CNT技术向亚1nm节点集成电路发展。