基于碳纳米管的无掺杂高性能CMOS器件和集成电路

摩尔定律指出：集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。当集成电路技术节点再向下2代到达16nm时，将会达到硅材料以及物理量子力学的极限。电子学的继续发展，迫切需要寻找新优势材料来代替硅材料，突破摩尔定律的极限。碳基材料，特别是碳纳米管已显示出优秀的物性和电子学性能。在本篇论文中主要研究了单壁碳纳米管场效应晶体管以及在其基础上建立的集成电路，主要结果如下：<br> 当金属钪(Scandium)已经显示出它能够被用来制备高性能n型碳管场效应晶体管(CNT FETs)，因为钪能够和碳管的导带形成高质量的欧姆接触。但是金属钪的成本如今比金要贵5倍，是金属钇的1000倍，虽然钇和钪是同一族的元素，它们有很多相似的地方。在本论文中，将显示，除了金属钪以外，金属钇也能和碳管形成完美的接触，并且钇接触的碳管器件在很多方面的性能还要略超过钪接触的碳管器件。低温下钇接触的碳管器件的测量结果表明线性的输出特性可以一直持续到4.3 K的低温，说明钇也完全可以和碳管的导带形成完美的欧姆接触。钇接触的自对准顶栅器件也制各成功，性能已基本可以达到碳管器件的理论极限。特别是在室温下，器件的电导可以达到0.55Gn(Gn=4e2/h，是单壁碳管的量子电导极限)，亚阈值摆幅达到73 mV/dec，电子迁移率有5100 cm2/Vs，而平均自由程可以高达0.639μm。钇接触碳管器件按沟道长度缩减行为也做了详尽系统的研究，揭露出碳管器件在能量消耗和本征速度方面都比硅基器件要有优势。<br> 在接触做好之后，还研究了一种新型自对准U形栅结构可以应用在碳管场效应晶体管上，因为它可以保持很好的直流特性，与之前报道过的自对准结构的碳管器件的直流性能相当。特别是亚阈值摆幅是75 mV/dec，漏端诱导的势垒降低(DIBL)几乎为0。这些都表明整个碳管沟道的静电势完全被U形栅极有效地控制着。所以U形栅碳管器件是性能很好的场效应晶体管。与此同时，器件的高频性能也进行了研究。测量了器件的寄生电容，比之前报道的自对准结构寄生电容的小一个量级。最后通过直接测量方法，测量得到U形栅碳管器件可以工作在800 MHz，这是目前相同条件下的最高频率响应。这种U形结构对器件高频性能的改进主要是由于将源漏电极和栅极之间的高κ电介质层替换成介电常数大约为1的空区域。将器件的寄生电容显著的降低很多，所以U形栅结构碳管器件可以应用在高频方面。<br> 在单个器件完全做好后(直流和交流特性)，高性能碳管CMOS集成电路也取得一定的进展，这些集成电路包括基本的非门，或门，与门，异或门，全加器，选通器和译码器。将这些完成的基本电路单位组合在一起，就组成了运算逻辑单元(ALU)。最基本的CMOS反相器，不仅性能对称，而且还具有匹配和一致的电压工作范围(0～1 V)。工作电压也可以在以下范围内调整(0.8 V～1.5 V)。以上这些建立在CMOS反相器上的复杂电路，不仅需要的晶体管数目比传统CMOS设计的数目少(pass-transistor逻辑设计)，而且性能也并没有受到pass-transistor阈值限制的影响。因为进行了成功地阈值电压的调整。虽然全加器电路的性能不是非常的理想，但是完全可以通过在其后级联反相器来消除由于阈值电压的漂移带来的性能下降。