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北大突破90nm碳纳米管晶体管,性能可对标45nm硅基芯片

2023-09-09

碳基芯片技术是一种利用碳元素代替硅元素来制造芯片的技术,相较于传统的硅基芯片,使用碳纳米晶体管的碳基芯片具有更高的运行速度、更低的功耗、更高的计算精度和更好的耐用性等优势。


同时,碳基芯片可以在更大的工艺节点上实现更高的性能,例如以石墨烯制成的碳基芯片性能将会是硅基芯片的10倍,但功耗却能降到四分之一,而一旦达到商用级别,碳基芯片只需要14nm就足以匹敌5nm的硅基芯片,在硅基芯片即将触碰理论极限的情况下,碳基芯片成为了未来电子行业的重要发展方向之一。


不同于传统硅基芯片,在碳基芯片方面我国正处于国际领先地位,就在近日,北京大学彭练矛院士/张志勇教授团队研究出一款基于阵列碳纳米管的90nm碳纳米管晶体管,并探索了将碳基晶体管进一步缩减到10nm节点的可能性。


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,研究团队制备出栅间距(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。


90 nm节点碳晶体管6T SRAM


在此基础上,通过器件版图的优化,研究团队还制备了整体面积仅为0.976 μm2的6晶体管(6T)静态随机存取存储器(SRAM)单元,对应于90 nm节点商用硅基CMOS工艺的SRAM单元面积(1μm2)。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,以往研究的碳基6T SRAM单元面积(以往均大于2000 μm2)远大于90nm的硅基SRAM,此次是首次采用非硅基半导体材料制备出整体面积小于1 μm2的6T SRAM单元,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。


基于Full Contact结构实现亚10 nm节点


除此之外,该研究团队还提出全接触(Full Contact)结构,结合了侧面接触(SideContact)和末端接触(EndContact)的载流子注入机制,让器件表现出更低的接触电阻(~ 90 Ω·μm),同时具有更弱的接触长度依赖性。基于FullContact结构,研究团队将碳管晶体管CGP缩减至55 nm,对应10 nm技术节点,同时性能优于硅基10 nm 节点PMOS晶体管,说明碳基芯片完全可以取代更小节点的硅基芯片。


虽然该团队目前采用的工艺主要基于实验室,而非标准的工业化技术,比如,现今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。不过对于碳基芯片的商用化,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。”


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