碳納米管被認為是構建亞10nm晶體管的理想材料；理論和實驗研究均表明相較硅基器件而言，其具有5～10倍的本征速度和功耗優勢，性能接近由量子測不準原理所決定的電子開關的極限，有望滿足后摩爾時代集成電路的發展需求。但由于受限于材料和加工工藝問題，碳納米管晶體管的制備規模、成品率和均勻性始終難以達到較高水平，限制了碳納米管集成電路技術進一步向產業化發展。據國際商業機器公司(IBM)研究人員2017年8月發表的基于碳管陣列的環形振蕩器的研究工作表示，振蕩頻率達282MHz，仍遠遠低于預期。因此，大幅度提升碳納米管集成電路的工作頻率成為發展碳納米管電子學的重要挑戰。

近期，北京大學信息科學技術學院、納米器件物理與化學教育部重點實驗室彭練矛教授-張志勇教授團隊在碳納米管電子學領域經過十幾年的潛心研究，發展了一整套碳管CMOS技術，前期已實現亞10nm CMOS器件以及中等規模集成電路。近日，他們通過對碳管材料、器件結構/工藝和電路版圖的優化，在世界上首次實現工作在千兆赫茲頻率的碳管集成電路，有力推動了碳納米管電子學的發展。

團隊首先通過優化碳管材料、器件結構和工藝，提升碳納米管晶體管的跨導和驅動電流；對于柵長為120nm的晶體管，在0.8V的工作電壓下，其開態電流和跨導分別達到0.55mA/μm和0.46mS/μm，其中跨導為已發表碳管器件的最高值?；谌绱诵阅艿钠骷?，成功實現了五級環振，振蕩頻率達680MHz。而后，團隊進一步優化器件結構，在源漏和柵之間引入空氣側墻，以減少源漏寄生電容；同時增加柵電阻的厚度，以減少寄生電阻，振蕩頻率達到2.62GHz。在此基礎上，團隊通過縮減碳管晶體管柵長和優化電路版圖，將五級環振振蕩頻率進一步提升至5.54GHz，比此前發表的最高紀錄(282MHz)提升了幾乎20倍；而120nm柵長碳管器件的單級門延時僅為18ps，在沒有采用多層互聯技術的前提下，速度已接近同等技術節點的商用硅基CMOS電路。更為重要的是，該技術所采用的碳納米管薄膜作為有源區材料，可實現高性能碳管環振電路的批量制備，且電路成品率為60%，環振的平均振蕩頻率為2.62GHz，表征差為0.16GHz，表現出較好的性能均一性。

 

《自然·電子學》截屏與文中描述的碳納米管環形振蕩電路：(a)五級環振電路掃描電鏡照片；(b)5.54 GHz的碳管環振電路；(c)環振頻率的統計直方圖；(d)與其他碳管材料、二維材料和硅基環振的單級門延時對比。

2017年12月11日，上述工作以題為《基于碳納米管薄膜的千兆赫茲集成電路》(Gigahertz integrated circuits based on carbon nanotube films)的論文在線發表于《自然·電子學》(Nature Electronics, DOI:10.1038/s41928-017-0003-y)，即將正式刊載于該期刊的創刊號，這也是北京大學在該期刊發表的首篇論文。信息學院2013級博士研究生仲東來為第一作者，張志勇教授和彭練矛教授為共同通訊作者。這項研究工作不僅極大推進了碳納米管集成電路的發展，更表明基于現有的碳管材料，通過簡單工藝已可能實現性能與商用單晶硅基CMOS性能相當的集成電路；如果采用更為理想的材料(例如高密度碳管平行陣列)和更高級的加工工藝，則有望推動碳納米管技術在速度和功耗等方面全面超過硅基CMOS技術。

該項研究得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、北京市科技計劃和建設世界一流大學(學科)和特色發展引導專項的資助。