“晶体管”北大团队造出90nm碳纳米管晶体管，助推碳基芯片的工程化发展，相关氢气传感器产品已经上市

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来源：DeepTech深科技

近日，北京大学彭练矛院士/张志勇教授团队造出一款基于阵列碳纳米管的 90nm 碳纳米管晶体管，具备可以高度集成的能力。

这意味着在 90nm 及以下技术节点的数字集成电路中，碳纳米管半导体具备一定的应用潜力，同时这也为进一步探索全碳基集成电路提供了深入见解。

对于相关论文审稿人评价称：“研究人员展示了面积小于 1 平方微米的 6 管 SRAM 单元，是新型集成电路技术的里程碑。”

研究中，通过利用该团队此前研发的碳纳米管阵列薄膜，以及借助缩减晶体管栅长和源漏接触长度的手段，课题组制备出栅间距（CGP， contacted gate pitch）为 175nm 的碳纳米管晶体管，其开态电流达到 2.24mA/μm、峰值跨导 gm 为 1.64mS/μm。相比 45nm 的硅基商用节点器件，该晶体管的性能更高。

基于此，该团队根据业界的集成度标准，制备一款静态随机存取存储器单元（SRAM，Static Random-Access Memory），其整体面积仅有 0.976 平方微米，包含 6 个晶体管（6T）。

在主流的数字集成电路技术中，SRAM 单元面积是衡量实际集成密度的重要参数。尽管大量研究都曾演示过碳纳米管或低维半导体材料的 6T SRAM，但是它们的单元面积远远大于硅基 90nm 节点的 SRAM 单元，在集成度依然有待提高。

而该课题组首次采用非硅基的半导体材料，造出整体面积小于 1 平方微米的 6-T SRAM 电路，这表明碳基数字集成电路完全可以满足 90nm 技术节点的集成度需求。

在此基础之上，该团队进一步探索了碳基晶体管缩减的可能性，证明按照严格的工业门标准，完全可以将碳基晶体管缩减到亚 10nm 的技术节点。

考虑到低维半导体器件在接触电阻的时候，会让电阻随着接触长度的缩减而出现急剧增大，这会让器件的整体尺寸无法缩减。

为此，课题组提出全接触的结构，结合侧面接触和末端接触的载流子注入机制，让器件不仅表现出更低的接触电阻，并能拥有更弱的接触长度依赖性。

基于全接触的结构，该团队尝试将碳管晶体管 CGP 缩减至 55nm，这对应着硅基晶体管中的 10nm 技术节点。与此同时，这款碳管晶体管的性能却优于基于硅基的 10nm 节点的 PMOS 晶体管。

另据悉，目前该团队研发的高灵敏碳纳米管晶体管氢气传感器产品已经上市，其探测限可以达到 0.5ppm，属于最高端的氢气传感器产品，也是世界首款碳纳米管芯片产品。

相关的碳纳米管生物传感芯片也在研发中，预计近两年将会推向市场，以用于食品安全、病毒检测、慢病早筛、医学诊断等领域。

不过，要想实现高性能的数字集成电路还需要 CMOS 晶体管的参与，而本次研究仅仅展示了 PMOS 晶体管的尺寸缩减、以及全 PMOS 的微缩电路，因此需要进一步探索 NMOS（N-Metal-Oxide-Semiconductor，N 型金属-氧化物-半导体）晶体管的缩减，借此展示 CMOS 电路的缩减能力，以及实现 6T CMOS 的静态随机存取存储器。

相比 PMOS 晶体管，碳基 NMOS 晶体管的缩减面临着更大的挑战。主要原因在于 NMOS 器件的源漏接触，采用比较活泼的金属钪，这很容易被氧化。

特别是缩减到比较细的线条时，这会导致器件的接触电阻剧增，进而导致器件的性能迅速恶化，故很难在保持性能的前提下，将碳管 NMOS 晶体管的整体尺寸缩减到 200nm。

因此，课题组将通过采用特殊工艺，将碳管 NMOS 器件缩减到 10nm 及以下节点，真正实现先进技术节点的碳管 CMOS 工艺。

另外，目前该团队采用的工艺主要基于实验室，而非标准的工业化技术。比如，目前学界广泛使用的剥离工艺, 根本无法满足大规模集成电路的实际需求，因此需要换成业界标准的干法刻蚀工艺。

所以，课题组打算发展基于碳纳米管 CMOS 晶体管的标准化工艺，推进碳基芯片的工程化发展。

那么，目前碳纳米管芯片处于怎样的发展现状？是否已经或者预计何时可以投入商用？

张志勇表示：“我们在碳基材料和器件制备领域掌握了核心技术，并已初步打通材料、器件和芯片展示的主要环节，具备面向未来的技术推进能力和设备升级能力。”

结合传统集成电路的加工、设计平台和技术，以及组织管理经验，该团队完全有可能在全球领域内率先取得突破。

而随着碳基电子技术的发展，也有望产生全新的芯片技术和新的产业链。从目前的技术发展趋势来看，碳纳米管芯片正处于工程化的迭代过程，未来即将形成完整的技术链条。

不过，要想造出能用于高端数字集成电路还需要一定的时间，因此可以采取“沿途下蛋”的方法。

具体来说，碳基电子技术将在未来 3 年左右用于传感器芯片领域，以及在未来 5-8 年左右用于射频芯片领域，并将在未来 15 年内用于高端数字芯片领域。

到 2037 年，有望实现碳基 7nm 工艺（相当于硅基 2/1nm 工艺），届时将形成完整的碳基电子产业生态，碳基芯片也将被真正用于主流高性能逻辑芯片领域，从而让碳基电子技术全面超越传统半导体技术。

最后，张志勇表示：“未来已来，碳纳米管芯片即将走出学术期刊，走进我们的生活。”

1.Lin, Y., Cao, Y., Ding, S. et al. Scaling aligned carbon nanotube transistors to a sub-10nm node. Nature Electronics 6, 506–515 (2023). https://doi.org/10.1038/s41928-023-00983-3

排版：刘雅坤

好了，关于北大团队造出90nm碳纳米管晶体管，助推碳基芯片的工程化发展，相关氢气传感器产品已经上市就讲到这。