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 半導(dǎo)體碳納米管被認(rèn)為是構(gòu)建納米晶體管的理想溝道材料，有望推動(dòng)未來(lái)電子學(xué)的發(fā)展。在過(guò)去的二十多年間，基于碳管的器件和電路得到廣泛研究，并在器件物理、性能研究探索、電路制備等領(lǐng)域取得了巨大進(jìn)展。碳基電子學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展，特別是碳基集成電路的實(shí)用化推進(jìn)，很大程度上依賴(lài)于大面積制備、高半導(dǎo)體純度的高質(zhì)量碳納米管材料。構(gòu)建碳基集成電路的理想材料是平行排列的高密度半導(dǎo)體碳納米管陣列，但目前的制備技術(shù)仍難以實(shí)現(xiàn)。在現(xiàn)階段所有碳納米管材料中，發(fā)展最為成熟、最適合構(gòu)建集成電路的是隨機(jī)取向的高半導(dǎo)體純度的碳管薄膜，已被廣泛用來(lái)制備包括基本邏輯門(mén)、半加器、全加器、環(huán)振等電路在內(nèi)的各種晶體管和集成電路，然而由于隨機(jī)取向碳管薄膜的無(wú)序性，人們一直認(rèn)為其更適合對(duì)性能要求不高的器件或電路，比如平板顯示驅(qū)動(dòng)晶體管以及柔性、瞬態(tài)、透明電等等。近年來(lái)，隨著材料純度和質(zhì)量的不斷提升，基于隨機(jī)取向的碳納米管薄膜晶體管和電路性能也進(jìn)一步增強(qiáng)，并被嘗試用于高性能數(shù)字集成電路，但是這種晶體管在性能和功耗方面能否滿足高性能數(shù)字集成電路的標(biāo)準(zhǔn)，尚需從器件物理性質(zhì)上加以研究。

北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院電子學(xué)系、納米器件物理與化學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的張志勇-彭練矛聯(lián)合課題組研究了隨機(jī)取向碳納米管薄膜晶體管的性能極限，探索了晶體管的橫向尺寸和縱向尺寸微縮規(guī)律，發(fā)現(xiàn)尺寸縮減在可提升器件性能的同時(shí)，也會(huì)明顯損壞亞閾值擺幅。統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨機(jī)取向碳管薄膜晶體管的開(kāi)態(tài)性能（跨導(dǎo)）和關(guān)態(tài)性能（亞閾值擺幅）之間存在著明顯的相互制約規(guī)律。聯(lián)合課題組通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論結(jié)合，揭示出這種開(kāi)、關(guān)態(tài)相互制衡的現(xiàn)象主要是由薄膜中碳管的方向呈隨機(jī)無(wú)序分布而引起的。分布方向隨機(jī)的碳管會(huì)引起薄膜器件中單管閾值和電流大小的離散分布，從而導(dǎo)致亞閾值擺幅變差和最大跨導(dǎo)增長(zhǎng)梯度變緩，導(dǎo)致亞閾值擺幅與最大跨導(dǎo)之間的制衡折衷現(xiàn)象。最終，研究通過(guò)平衡亞閾值擺幅和跨導(dǎo)，兼顧晶體管的開(kāi)態(tài)與關(guān)態(tài)，使得柵長(zhǎng)為120nm的隨機(jī)取向碳管薄膜晶體管可滿足大規(guī)模數(shù)字集成電路的需求。

《先進(jìn)功能材料》期刊該期內(nèi)封面

近日，上述工作以“面向數(shù)字電路應(yīng)用的碳納米管網(wǎng)狀薄膜晶體管性能極限探索（Thin film FETs:exploring the performance limit of carbon nanotube network film field-effect transistors for digital integrated circuit applications）”為題，發(fā)表于材料領(lǐng)域著名期刊《先進(jìn)功能材料》（Advanced Functional Materials），并被選做內(nèi)封面（inside front cover）；北京大學(xué)電子學(xué)系博士研究生趙晨怡為第一作者，張志勇、彭練矛為共同通訊作者。相關(guān)課題得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、北京市科技計(jì)劃等資助。