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湖南先进传感与信息技术创新研究院在Science上发表碳基集成电路重要进展
发布时间:2020年05月22日   阅读:

近日,湖南先进传感与信息技术创新研究院张志勇教授和彭练矛院士团队在碳基集成电路研究方面取得重要进展。5月22日,《Science》以“Aligned, high-density semiconducting carbon nanotube arrays for high-performance electronics”为题在线发表了该成果(Science,368,6493,850~856)。该项工作首次在实验上显示出碳管器件和集成电路较传统技术的性能优势,突破了长期以来阻碍碳管电子学发展的瓶颈,为推进碳基集成电路的实用化发展奠定了基础。研究院招收的首届硕士研究生丁素娟作为文章作者之一,在院长彭练矛、常务副院长张志勇以及特聘教授金传洪的共同指导下,贡献了大量表征和测试工作。

大规模集成电路对碳管材料的要求

随着主流CMOS集成电路缩减到亚10 nm技术节点,采用新结构或新材料对抗场效应晶体管中的短沟道效应、进一步提升器件能量利用效率变得愈为重要。半导体碳纳米管具有超高的电子和空穴迁移率、原子尺度的厚度和稳定的结构,是构建高性能CMOS器件的理想沟道材料。理论计算和实验结果均表明,碳管CMOS晶体管采用平面结构即可缩减到5nm栅长,且较同等栅长的硅基CMOS器件具有10倍的本征性能-功耗综合优势。

高密度、高纯度半导体碳管阵列的制备和表征

高性能碳管晶体管

彭练矛院士和张志勇教授带领研究团队发展了全新的提纯和自组装方法,采用多次聚合物分散和提纯技术得到超高纯度碳管溶液,并结合维度限制自排列法,在4英寸基底上制备出密度为120 /μm、半导体纯度高达99.99995%、直径分布在1.45±0.23 nm的碳管阵列,从而达到超大规模碳管集成电路的需求,解决了制约碳管晶体管和集成电路的实际性能的关键瓶颈。在此基础上批量制备出场效应晶体管和环形振荡器电路,100nm栅长碳管晶体管的峰值跨导和饱和电流分别达到0.9 mS/μm和1.3 mA/μm(VDD=1V),室温下亚阈值摆幅为90 mV/DEC;批量制备出五阶环形振荡器电路,成品率超过50%,最高振荡频率8.06 GHz远超已公开的基于纳米材料的电路,性能超越同等栅长硅基CMOS技术的晶体管和电路,展现出碳管电子学的极大优势。

碳管高速集成电路

湖南先进传感与信息技术创新研究院是湖南省人民政府支持下,由北京大学与我校在2018年合作共建的新型研发平台,旨在建设成为碳基纳米电子器件和新型高端传感器研究的国家创新中心和国内一流的技术产业推进中心。目前研究院各项工作推进有力,已建成中南地区最先进、国内领先水平的微纳器件加工实验室,引进包括中科院院士、国家优青等一批高端人才,招收了硕士博士研究生20余名。研究院在碳基气体传感器阵列、生物医疗传感器和柔性电子器件等方面均取得系列重要进展,包括本次science在线的文章,已发表了30余篇较高水平的学术论文,并与华为、京东方、旭海光电、中电集团等龙头企业接洽,积极开展产学研合作,将相关研究成果尽快推向市场。

原文链接:https://science.sciencemag.org/content/368/6493/850

(曹觉先)

(来源:科技处)

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