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物理电子学研究所彭练矛教授团队入选2017年度中

发布时间:2019-11-04 00:40编辑:信息科学浏览(109)

    自1998年以来,这项评选已开展20届,对提升高等学校科技的整体水平、增强高校的科技创新能力发挥了积极作用,并产生较大的社会影响,赢得了较高的声誉。

    该工作于2017年1月20日在线发表于《科学》。信息学院博士后邱晨光为第一作者,张志勇、彭练矛为共同通讯作者。研究成果不仅表明在10 nm以下的技术节点,碳纳米管CMOS器件较硅基CMOS器件具有明显优势,且有望达到由测不准原理和热力学定律所决定的二进制电子开关的性能极限,更展现出碳纳米管电子学的巨大潜力,为2020年之后的集成电路技术发展和选择提供了重要参考。

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    北京大学信息科学技术学院物理电子学研究所、纳米器件物理与化学教育部重点实验室彭练矛-张志勇教授课题组在碳纳米管电子学领域进行了十多年的研究,发展了一整套高性能碳管CMOS晶体管的无掺杂制备方法,通过控制电极功函数来控制晶体管的极性。

    芯片是信息时代的基础与推动力,现有CMOS技术将触碰其极限。碳纳米管技术被认为是后摩尔时代的重要选项。理论研究表明,碳管晶体管有望提供更高的性能和更低的功耗,且较易实现三维集成,系统层面的综合优势将高达上千倍,芯片技术由此可能提升至全新高度。北京大学电子学系彭练矛教授团队在碳纳米管CMOS器件物理和制备技术、性能极限探索等方面取得重大突破,放弃传统掺杂工艺,通过控制电极材料来控制晶体管的极性,抑制短沟道效应,首次实现了5纳米栅长的高性能碳管晶体管,性能超越目前最好的硅基晶体管,接近量子力学原理决定的物理极限,有望将CMOS技术推进至3纳米以下技术节点。2017年1月20日,标志性成果以Scaling carbon nanotube complementary transistors to 5-nm gate lengths 为题,在线发表于《科学》;被包括IBM研究人员在内的同行在《科学》《自然?纳米技术》等期刊24次公开正面引用,并入选ESI高被引论文。相关工作被Nature Index、IEEE Spectrum、Nano Today、《科技日报》等国内外主流学术媒体和新华社报道;《人民日报》评价碳管晶体管的“工作速度是英特尔最先进的14纳米商用硅材料晶体管的三倍,而能耗只是其四分之一”,意味着中国科学家“有望在芯片技术上赶超国外同行”,“是中国信息科技发展的一座新里程碑”。

    集成电路发展的基本方式在于,在晶体管尺寸缩减的前提下,研制性能更强大、集成度更高、功能更复杂的芯片。目前,主流CMOS技术将达到10 nm的技术节点,后续由于受到来自物理规律和制造成本的限制而很难继续提升,“摩尔定律”可能面临终结。二十多年来,科学界和产业界一直在探索各种新材料和新原理的晶体管技术,以期替代硅基CMOS技术,然而迄今为止,尚未实现10 nm新型CMOS器件,也没有新型器件能够在性能上真正超越最好的硅基CMOS器件。

    北京大学信息科学技术学院物理电子学研究所、纳米器件物理与化学教育部重点实验室彭练矛教授团队的项目“5纳米碳纳米管CMOS器件”榜上有名。该团队曾在2000年的评选中凭项目“亚纳米碳管的稳定性研究”首次入选。

    碳纳米管被认为是构建亚10 nm晶体管的理想材料,其原子量级的管径保证器件具有优异的栅极静电控制能力,更容易克服短沟道效应;超高的载流子迁移率则保证器件具有更高的性能和更低的功耗。理论研究表明,碳管器件相对于硅基器件来说,在速度和功耗方面具有5~10倍的优势,有望满足“后摩尔时代”集成电路的发展需求。可是,2014年国际商用机器公司所实现的最小碳管CMOS器件仅停滞在20 nm栅长,性能也远远低于预期。

    日前,经过高校申报和公示、形式审查、学部初评、项目终审等评审流程,由教育部科学技术委员会组织评选的2017年度中国高等学校十大科技进展在京揭晓。

    近年来,课题组通过优化器件结构和制备工艺,首次实现了栅长为10 nm的碳管顶栅CMOS场效应晶体管,p型和n型器件的亚阈值摆幅均为70 mV/DEC;器件性能不仅远远超过已发布的所有碳管器件,并且在更低的工作电压下p型和n型晶体管的工作性能均超过了目前最好的硅基CMOS器件在0.7 V电压下的性能;特别是碳管CMOS晶体管本征门延时仅0.062 ps,相当于14 nm硅基CMOS器件的1/3。随后,进一步探索5 nm栅长的碳管,采用石墨烯作为碳管晶体管的源漏接触,有效地抑制了短沟道效应和源漏直接隧穿,从而制备出了5 nm栅长的高性能碳管晶体管,器件亚阈值摆幅达到73 mV/DEC。在此基础上,课题组全面比较了碳管CMOS器件的优势和性能潜力。研究表明,与相同栅长的硅基CMOS器件相比,碳管CMOS器件具有10倍左右的速度和动态功耗的综合优势以及更好的可缩减性。通过分析实验数据可以看出,5 nm栅长的碳管器件开关转换仅有约1个电子参与,并且门延时达到42 fs,非常接近二进制电子开关器件的极限——该极限由海森堡测不准原理和香农-冯诺伊曼-朗道定律所决定;也就是说,5 nm栅长的碳管晶体管已接近电子开关的物理极限。

    以上研究得到国家重点研发计划、重大科学研究计划、国家自然科学基金、北京市科技计划、北京大学“中央高校建设世界一流大学和特色发展引导专项”等资助。

    与此同时,课题组也研究接触尺寸缩减对器件性能的影响,探索器件整体尺寸的缩减,将碳管器件的接触电极长度缩减至25 nm,在保证器件性能的前提下,实现了整体尺寸为60 nm的碳管晶体管,并且成功演示了整体长度为240 nm的碳管CMOS反相器,这是目前所实现的最小的纳米反相器电路。

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