通過(guò)芯片半導(dǎo)體與集成電路的發(fā)顫歷程理解碳基芯片

1、.半導(dǎo)體的發(fā)展歷程及應(yīng)用半導(dǎo)體的發(fā)現(xiàn)實(shí)際上可以追溯到很久以前。1833年，英國(guó)科學(xué)家電子學(xué)之父法拉第最先發(fā)現(xiàn)硫化銀的電阻隨著溫度的變化情況不同于一般金屬，一般情況下，金屬的電阻隨溫度升高而增加，但法拉第發(fā)現(xiàn)硫化銀材料的電阻是隨著溫度的上升而降低。這是半導(dǎo)體現(xiàn)象的首次發(fā)現(xiàn)。不久，1839年法國(guó)的貝克萊爾發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體和電解質(zhì)接觸形成的結(jié)，在光照下會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓，這就是后來(lái)人們熟知的光生伏特效應(yīng)，這是被發(fā)現(xiàn)的半導(dǎo)體的第二個(gè)特性。1873年，英國(guó)的史密斯發(fā)現(xiàn)硒晶體材料在光照下電導(dǎo)增加的光電導(dǎo)效應(yīng)，這是半導(dǎo)體的第三種特性。在1874年，德國(guó)的布勞恩觀察到某些硫化物的電導(dǎo)與所加電場(chǎng)的方向有關(guān)，即它的導(dǎo)電有方

2、向性，在它兩端加一個(gè)正向電壓，它是導(dǎo)通的；如果把電壓極性反過(guò)來(lái)，它就不導(dǎo)電，這就是半導(dǎo)體的整流效應(yīng)，也是半導(dǎo)體所特有的第四種特性。同年，舒斯特又發(fā)現(xiàn)了銅與氧化銅的整流效應(yīng)。半導(dǎo)體的這四個(gè)特性，雖在1880年以前就先后被發(fā)現(xiàn)了，但半導(dǎo)體這個(gè)名詞大概到1911年才被考尼白格和維斯首次使用。而總結(jié)出半導(dǎo)體的這四個(gè)特性一直到1947年12月才由貝爾實(shí)驗(yàn)室完成。2019年10月，一國(guó)際科研團(tuán)隊(duì)稱(chēng)與傳統(tǒng)霍爾測(cè)量中僅獲得3個(gè)參數(shù)相比，新技術(shù)在每個(gè)測(cè)試光強(qiáng)度下最多可獲得7個(gè)參數(shù)：包括電子和空穴的遷移率；在光下的載荷子密度、重組壽命、電子、空穴和雙極性類(lèi)型的擴(kuò)散長(zhǎng)度。分類(lèi)及性能（1）元素半導(dǎo)體。元素半導(dǎo)體是指單

3、一元素構(gòu)成的半導(dǎo)體，其中對(duì)硅、硒的研究比較早。它是由相同元素組成的具有半導(dǎo)體特性的固體材料，容易受到微量雜質(zhì)和外界條件的影響而發(fā)生變化。目前，只有硅、鍺性能好，運(yùn)用的比較廣，硒在電子照明和光電領(lǐng)域中應(yīng)用。硅在半導(dǎo)體工業(yè)中運(yùn)用的多，這主要受到二氧化硅的影響，能夠在器件制作上形成掩膜，能夠提高半導(dǎo)體器件的穩(wěn)定性，利于自動(dòng)化工業(yè)生產(chǎn)。（2）無(wú)機(jī)合成物半導(dǎo)體。無(wú)機(jī)合成物主要是通過(guò)單一元素構(gòu)成半導(dǎo)體材料，當(dāng)然也有多種元素構(gòu)成的半導(dǎo)體材料，主要的半導(dǎo)體性質(zhì)有I族與V、VI、VII族；II族與IV、V、VI、VII族；III族與V、VI族；IV族與IV、VI族;V族與VI族；VI族與VI族的結(jié)合化合物，但受

4、到元素的特性和制作方式的影響，不是所有的化合物都能夠符合半導(dǎo)體材料的要求。這一半導(dǎo)體主要運(yùn)用到高速器件中，InP制造的晶體管的速度比其他材料都高，主要運(yùn)用到光電集成電路、抗核輻射器件中。對(duì)于導(dǎo)電率高的材料，主要用于LED等方面。（3）有機(jī)合成物半導(dǎo)體。有機(jī)化合物是指含分子中含有碳鍵的化合物，把有機(jī)化合物和碳鍵垂直，疊加的方式能夠形成導(dǎo)帶，通過(guò)化學(xué)的添加，能夠讓其進(jìn)入到能帶，這樣可以發(fā)生電導(dǎo)率，從而形成有機(jī)化合物半導(dǎo)體。這一半導(dǎo)體和以往的半導(dǎo)體相比，具有成本低、溶解性好、材料輕加工容易的特點(diǎn)。可以通過(guò)控制分子的方式來(lái)控制導(dǎo)電性能，應(yīng)用的范圍比較廣，主要用于有機(jī)薄膜、有機(jī)照明等方面。（4）非晶態(tài)半

5、導(dǎo)體。它又被叫做無(wú)定形半導(dǎo)體或玻璃半導(dǎo)體，屬于半導(dǎo)電性的一類(lèi)材料。非晶半導(dǎo)體和其他非晶材料一樣，都是短程有序、長(zhǎng)程無(wú)序結(jié)構(gòu)。它主要是通過(guò)改變?cè)酉鄬?duì)位置，改變?cè)械闹芷谛耘帕?，形成非晶硅。晶態(tài)和非晶態(tài)主要區(qū)別于原子排列是否具有長(zhǎng)程序。非晶態(tài)半導(dǎo)體的性能控制難，隨著技術(shù)的發(fā)明，非晶態(tài)半導(dǎo)體開(kāi)始使用。這一制作工序簡(jiǎn)單，主要用于工程類(lèi)，在光吸收方面有很好的效果，主要運(yùn)用到太陽(yáng)能電池和液晶顯示屏中。（5）本征半導(dǎo)體：不含雜質(zhì)且無(wú)晶格缺陷的半導(dǎo)體稱(chēng)為本征半導(dǎo)體。在極低溫度下，半導(dǎo)體的價(jià)帶是滿帶，受到熱激發(fā)后，價(jià)帶中的部分電子會(huì)越過(guò)禁帶進(jìn)入能量較高的空帶，空帶中存在電子后成為導(dǎo)帶，價(jià)帶中缺少一個(gè)電子后形成

6、一個(gè)帶正電的空位，稱(chēng)為空穴?？昭▽?dǎo)電并不是實(shí)際運(yùn)動(dòng)，而是一種等效。電子導(dǎo)電時(shí)等電量的空穴會(huì)沿其反方向運(yùn)動(dòng)。它們?cè)谕怆妶?chǎng)作用下產(chǎn)生定向運(yùn)動(dòng)而形成宏觀電流，分別稱(chēng)為電子導(dǎo)電和空穴導(dǎo)電。這種由于電子-空穴對(duì)的產(chǎn)生而形成的混合型導(dǎo)電稱(chēng)為本征導(dǎo)電。導(dǎo)帶中的電子會(huì)落入空穴，電子-空穴對(duì)消失，稱(chēng)為復(fù)合。復(fù)合時(shí)釋放出的能量變成電磁輻射（發(fā)光）或晶格的熱振動(dòng)能量（發(fā)熱）。在一定溫度下，電子-空穴對(duì)的產(chǎn)生和復(fù)合同時(shí)存在并達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，此時(shí)半導(dǎo)體具有一定的載流子密度，從而具有一定的電阻率。溫度升高時(shí)，將產(chǎn)生更多的電子-空穴對(duì)，載流子密度增加，電阻率減小。無(wú)晶格缺陷的純凈半導(dǎo)體的電阻率較大，實(shí)際應(yīng)用不多。2.半導(dǎo)體的

7、應(yīng)用半導(dǎo)體在集成電路、消費(fèi)電子、通信系統(tǒng)、光伏發(fā)電、照明應(yīng)用、大功率電源轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域應(yīng)用。光伏應(yīng)用半導(dǎo)體材料光生伏特效應(yīng)是太陽(yáng)能電池運(yùn)行的基本原理?，F(xiàn)階段半導(dǎo)體材料的光伏應(yīng)用已經(jīng)成為一大熱門(mén)，是目前世界上增長(zhǎng)最快、發(fā)展最好的清潔能源市場(chǎng)。太陽(yáng)能電池的主要制作材料是半導(dǎo)體材料，判斷太陽(yáng)能電池的優(yōu)劣主要的標(biāo)準(zhǔn)是光電轉(zhuǎn)化率，光電轉(zhuǎn)化率越高，說(shuō)明太陽(yáng)能電池的工作效率越高。根據(jù)應(yīng)用的半導(dǎo)體材料的不同，太陽(yáng)能電池分為晶體硅太陽(yáng)能電池、薄膜電池以及III-V族化合物電池。照明應(yīng)用LED是建立在半導(dǎo)體晶體管上的半導(dǎo)體發(fā)光二極管，采用LED技術(shù)半導(dǎo)體光源體積小，可以實(shí)現(xiàn)平面封裝，工作時(shí)發(fā)熱量低、節(jié)能高效，產(chǎn)品壽命

8、長(zhǎng)、反應(yīng)速度快，而且綠色環(huán)保無(wú)污染，還能開(kāi)發(fā)成輕薄短小的產(chǎn)品，一經(jīng)問(wèn)世，就迅速普及，成為新一代的優(yōu)質(zhì)照明光源，目前已經(jīng)廣泛運(yùn)用在我們的生活中。如交通指示燈、電子產(chǎn)品的背光源、城市夜景美化光源、室內(nèi)照明等各個(gè)領(lǐng)域，都有應(yīng)用。大功率電源轉(zhuǎn)換交流電和直流電的相互轉(zhuǎn)換對(duì)于電器的使用十分重要，是對(duì)電器的必要保護(hù)。這就要用到等電源轉(zhuǎn)換裝置。碳化硅擊穿電壓強(qiáng)度高，禁帶寬度寬，熱導(dǎo)性高，因此s（半導(dǎo)體器件十分適合應(yīng)用在功率密度和開(kāi)關(guān)頻率高的場(chǎng)合，電源裝換裝置就是其中之一。碳化硅元件在高溫、高壓、高頻的又一表現(xiàn)使得現(xiàn)在被廣泛使用到深井鉆探，發(fā)電裝置中的逆變器，電氣混動(dòng)汽車(chē)的能量轉(zhuǎn)化器，輕軌列車(chē)牽引動(dòng)力轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域

9、。由于SiC本身的優(yōu)勢(shì)以及現(xiàn)階段行業(yè)對(duì)于輕量化、高轉(zhuǎn)換效率的半導(dǎo)體材料需要，SiC將會(huì)取代Si，成為應(yīng)用最廣泛的半導(dǎo)體材料。二.芯片的發(fā)展歷程晶體管發(fā)明并大量生產(chǎn)之后，各式固態(tài)半導(dǎo)體組件如二極管、晶體管等大量使用，取代了真空管在電路中的功能與角色。到了20世紀(jì)中后期半導(dǎo)體制造技術(shù)進(jìn)步，使得集成電路成為可能。相對(duì)于手工組裝電路使用個(gè)別的分立電子組件，集成電路可以把很大數(shù)量的微晶體管集成到一個(gè)小芯片，是一個(gè)巨大的進(jìn)步。集成電路的規(guī)模生產(chǎn)能力，可靠性，電路設(shè)計(jì)的模塊化方法確保了快速采用標(biāo)準(zhǔn)化集成電路代替了設(shè)計(jì)使用離散晶體管。集成電路對(duì)于離散晶體管有兩個(gè)主要優(yōu)勢(shì)：成本和性能。成本低是由于芯片把所有的組

10、件通過(guò)照相平版技術(shù)，作為一個(gè)單位印刷，而不是在一個(gè)時(shí)間只制作一個(gè)晶體管。性能高是由于組件快速開(kāi)關(guān)，消耗更低能量，因?yàn)榻M件很小且彼此靠近。2006年，芯片面積從幾平方毫米到350mm?,每mm?可以達(dá)到一百萬(wàn)個(gè)晶體管。第一個(gè)集成電路雛形是由杰克基爾比于1958年完成的，其中包括一個(gè)雙極性晶體管，三個(gè)電阻和一個(gè)電容器。從20世紀(jì)30年代開(kāi)始，元素周期表中的化學(xué)元素中的半導(dǎo)體被研究者如貝爾實(shí)驗(yàn)室的威廉肖克利（WilliamShockley）認(rèn)為是固態(tài)真空管的最可能的原料。從氧化銅到鍺，再到硅，原料在20世紀(jì)40到50年代被系統(tǒng)的研究。今天，盡管元素中期表的一些III-V價(jià)化合物如砷化鎵應(yīng)用于特殊用途

11、如：發(fā)光二極管、激光、太陽(yáng)能電池和最高速集成電路，單晶硅成為集成電路主流的基層。創(chuàng)造無(wú)缺陷晶體的方法用去了數(shù)十年的時(shí)間。半導(dǎo)體集成電路工藝，包括以下步驟，并重復(fù)使用：光刻，刻蝕，薄膜（化學(xué)氣相沉積或物理氣相沉積），摻雜（熱擴(kuò)散或離子注入）化學(xué)機(jī)械平坦化CMP使用單晶硅晶圓（或III-V族，如砷化鎵）用作基層，然后使用光刻、摻雜、CMP等技術(shù)制成MOSFET或BJT等組件，再利用薄膜和CMP技術(shù)制成導(dǎo)線，如此便完成芯片制作。因產(chǎn)品性能需求及成本考量，導(dǎo)線可分為鋁工藝（以濺鍍?yōu)橹鳎┖豌~工藝（以電鍍?yōu)橹鲄⒁?jiàn)Damascene）。主要的工藝技術(shù)可以分為以下幾大類(lèi)：黃光微影、刻蝕、擴(kuò)散、薄膜、平坦化制成

12、、金屬化制成。IC由很多重疊的層組成，每層由視頻技術(shù)定義，通常用不同的顏色表示。一些層標(biāo)明在哪里不同的摻雜劑擴(kuò)散進(jìn)基層（成為擴(kuò)散層），一些定義哪里額外的離子灌輸（灌輸層），一些定義導(dǎo)體（多晶硅或金屬層），一些定義傳導(dǎo)層之間的連接（過(guò)孔或接觸層）。所有的組件由這些層的特定組合構(gòu)成。在一個(gè)自排列（CMOS）過(guò)程中，所有門(mén)層（多晶硅或金屬）穿過(guò)擴(kuò)散層的地方形成晶體管。電阻結(jié)構(gòu)，電阻結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)寬比，結(jié)合表面電阻系數(shù)，決定電阻。電容結(jié)構(gòu)，由于尺寸限制，在IC上只能產(chǎn)生很小的電容。更為少見(jiàn)的電感結(jié)構(gòu)，可以制作芯片載電感或由回旋器模擬。三.集成電路集成電路是一種微型電子器件或部件。采用一定的工藝，把一個(gè)電路中

13、所需的晶體管、電阻、電容和電感等元件及布線互連一起，制作在一小塊或幾小塊半導(dǎo)體晶片或介質(zhì)基片上，然后封裝在一個(gè)管殼內(nèi)，成為具有所需電路功能的微型結(jié)構(gòu)；其中所有元件在結(jié)構(gòu)上已組成一個(gè)整體，使電子元件向著微小型化、低功耗、智能化和高可靠性方面邁進(jìn)了一大步。它在電路中用字母1C”表示。集成電路發(fā)明者為杰克基爾比（基于鍺（Ge）的集成電路）和羅伯特諾伊思（基于硅（Si）的集成電路）。當(dāng)今半導(dǎo)體工業(yè)大多數(shù)應(yīng)用的是基于硅的集成電路。碳基電子彭練矛在碳基電子學(xué)的機(jī)遇和挑戰(zhàn)中寫(xiě)道碳納米管具有極其優(yōu)異的電學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、磁學(xué)以及力學(xué)性能，是理想的納電子和光電子材料2,3。碳納米管具有特殊的幾何結(jié)構(gòu)，使得費(fèi)米面附

14、近的電子態(tài)主要為擴(kuò)展n態(tài)。由于沒(méi)有表面懸掛鍵，表面以及碳納米管結(jié)構(gòu)的缺陷對(duì)擴(kuò)展兀態(tài)的散射效應(yīng)對(duì)電子在材料中的傳輸幾乎沒(méi)影響。室溫下，碳納米管中電子和空穴的本征遷移率均極高，超出了最好的硅基半導(dǎo)體材料：典型的硅基場(chǎng)效應(yīng)管的電子遷移率是1000厘米2/（伏秒），碳納米管場(chǎng)效應(yīng)管中電子遷移率可以達(dá)到100000厘米2/（伏秒）。通過(guò)控制結(jié)構(gòu)，由碳納米管可以得到金屬管和半導(dǎo)體管。小偏壓情況下，電子平均自由程可以達(dá)到幾微米，由于典型的碳納米管器件長(zhǎng)度為幾百納米，器件中電子輸運(yùn)呈現(xiàn)完美的彈道輸運(yùn)特征。典型的金屬性碳納米管在室溫下電阻率為10-6歐厘米，性能優(yōu)于最好的金屬導(dǎo)體。碳納米管器件不僅具有優(yōu)異的導(dǎo)電

15、性能，其熱導(dǎo)率也達(dá)到了6000瓦/毫開(kāi)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于最好的熱導(dǎo)體。另外，碳納米管器件還能承受極高的電流上限，有非常好的高頻響應(yīng)，性能優(yōu)于所有已知的其他半導(dǎo)體材料。五大挑戰(zhàn)及其解決途徑碳納米管的主要潛在優(yōu)勢(shì)源于它擁有完美的結(jié)構(gòu)、超薄的導(dǎo)電通道、極高的載流子遷移率和穩(wěn)定性。然而，從理論與實(shí)驗(yàn)研究到工業(yè)應(yīng)用,人們還面臨著巨大的挑戰(zhàn)。2009年，ITRS明確提出了碳納米管電子學(xué)所面臨的五大挑戰(zhàn)。下面將對(duì)這五大挑戰(zhàn)以及解決途徑做一簡(jiǎn)單介紹。能隙控制由于具有很高的載流子遷移率以及具有彈道輸運(yùn)的特性，碳納米管場(chǎng)效應(yīng)管的相關(guān)應(yīng)用成為研究焦點(diǎn)。單壁碳納米管（single-walledcarbonnanotube，S

16、WCNT）要在CMOS技術(shù)中得到實(shí)際應(yīng)用，首先要能生長(zhǎng)出具有緊致能隙分布的半導(dǎo)體性SWCNT。為了實(shí)現(xiàn)原位能隙分布控制，在生長(zhǎng)過(guò)程中碳納米管的直徑和手征性必須得到嚴(yán)格控制。目前，幾乎所有的生長(zhǎng)技術(shù)中都會(huì)出現(xiàn)的金屬性和半導(dǎo)體性SWCNT共存問(wèn)題是制約碳納米管電子學(xué)發(fā)展的瓶頸。純半導(dǎo)體性SWCNT陣列的選擇生長(zhǎng)是面臨的第一個(gè)技術(shù)挑戰(zhàn)。北京大學(xué)李彥課題組和美國(guó)杜克大學(xué)劉杰課題組多年來(lái)一直致力于SWCNT的可控生長(zhǎng)研究，2009年兩個(gè)課題組聯(lián)合在單晶石英襯底上成功生長(zhǎng)出完美排列的SWCNT陣列。拉曼光譜以及電學(xué)方面的相關(guān)測(cè)量證實(shí)，陣列中半導(dǎo)體性SWCNT的比例達(dá)到95%。最近，通過(guò)設(shè)計(jì)高溫下穩(wěn)定的催化

17、劑并控制其和碳納米管結(jié)構(gòu)的匹配，李彥研究組在結(jié)構(gòu)控制生長(zhǎng)方面取得了突破性的進(jìn)展，有望將其發(fā)展成為通用方法，以滿足碳納米管集成電路規(guī)模制備對(duì)于半導(dǎo)體純度的要求4。碳納米管位置、方向控制要實(shí)現(xiàn)碳納米管器件的工業(yè)應(yīng)用，同樣必須在材料生長(zhǎng)過(guò)程中精確地控制碳納米管的生長(zhǎng)位置，并使碳納米管?chē)?yán)格地按器件設(shè)計(jì)所要求的方向排列。這個(gè)方向的研究在過(guò)去幾年中取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。利用傳統(tǒng)的催化生長(zhǎng)技術(shù)，在石英或藍(lán)寶石表面可以圖案化定位生長(zhǎng)出排列整齊的SWCNT陣列，其管徑大小由催化劑和碳管與基底相互作用共同決定，同時(shí)這些相互作用和基底的晶格取向決定了碳納米管的生長(zhǎng)方向。但通過(guò)這種方法生長(zhǎng)的SWCNT陣列密度較低，一般

18、每微米僅有1050根SWCNT。2014年，北京大學(xué)張錦課題組發(fā)展了新的“特洛伊”方法5，通過(guò)預(yù)處理將催化劑埋藏在基底，在碳納米管生長(zhǎng)過(guò)程中再將其釋放，使得碳納米管的密度高達(dá)每微米130余根，達(dá)到了高性能器件設(shè)計(jì)的需要。碳納米管電學(xué)接觸1998年，荷蘭德克爾（C.口卜卜）研究組和美國(guó)IBM基礎(chǔ)研究實(shí)驗(yàn)室同時(shí)報(bào)道了第一個(gè)碳納米管晶體管，揭開(kāi)了碳納米管電子學(xué)研究的序幕。但最初的碳納米管晶體管接觸不好，性能遠(yuǎn)低于硅基器件。2003年美國(guó)斯坦福大學(xué)戴宏杰研究組首先采用金屬鉛（Pb）作為電極，制備出了性能接近理論極限的碳納米管彈道空穴型器件6。之后許多研究組嘗試通過(guò)摻雜方法制備高性能電子型器件，但均告失

19、敗。特別是英特爾公司2005年對(duì)所有納米晶體管進(jìn)行了定量比較，發(fā)現(xiàn)雖然碳納米管空穴型器件性能遠(yuǎn)優(yōu)于相應(yīng)尺寸的硅基器件，但通過(guò)化學(xué)摻雜方法制備出的電子型器件性能遠(yuǎn)遜于硅基器件7，半導(dǎo)體主流CMOS技術(shù)無(wú)法通過(guò)碳納米管材料得以實(shí)現(xiàn)。英特爾隨后在2006年宣布放棄碳納米管作為后硅技術(shù)的主要候選支撐材料，導(dǎo)致該領(lǐng)域許多研究者離開(kāi)了碳納米管，開(kāi)始了對(duì)石墨烯電子學(xué)的探索。雖然相關(guān)研究取得了眾多進(jìn)展，但石墨烯材料沒(méi)有能隙的先天弱勢(shì)至今仍未得到解決，阻礙著石墨烯技術(shù)成為未來(lái)主流電子學(xué)技術(shù)。我國(guó)研究人員為碳納米管電子型晶體管制備難題的解決做出了基礎(chǔ)性貢獻(xiàn)。在系統(tǒng)研究了各種金屬和碳納米管接觸性質(zhì)的基礎(chǔ)上，北京大學(xué)

20、彭練矛研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)金屬鈧（Sc）和釔（Y）可以和半導(dǎo)體性碳納米管的導(dǎo)帶形成完美的電子型歐姆接觸8。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)縮減溝道長(zhǎng)度，研究團(tuán)隊(duì)首次制備出了碳納米管彈道電子型晶體管，其性能逼近量子極限，在速度和功耗上均遠(yuǎn)超同等尺度的硅基器件。作為碳納米管電子型歐姆接觸方面唯一的實(shí)驗(yàn)工作，被連續(xù)三次寫(xiě)入2009年,2011年和2013年ITRS的“新興研究材料”和“新興研究器件”報(bào)告。載流子濃度控制納米尺度器件中載流子濃度的控制是納米電子學(xué)面臨的又一關(guān)鍵挑戰(zhàn)。一般氧化硅(SiO2)基底上的碳納米管傾向表現(xiàn)為空穴型半導(dǎo)體。在碳納米管CMOS器件的早期研究中，為了使空穴型碳納米管轉(zhuǎn)化為電子型半導(dǎo)體，最常見(jiàn)的

21、方法是向碳納米管摻雜鉀(K)元素。然而碳納米管完美的晶格結(jié)構(gòu)雖然保證了材料具有極高的遷移率，但同時(shí)也給可控?fù)诫s帶來(lái)了極大困難。鉀摻雜屬吸附性摻雜，但這種摻雜很不穩(wěn)定,而由于碳基納米材料完美的晶格結(jié)構(gòu)，替代性摻雜非常困難，目前尚無(wú)法實(shí)現(xiàn)幾十納米器件通道的可控和穩(wěn)定摻雜。更為根本的是,摻雜將不可避免地破壞碳納米材料的完美結(jié)構(gòu)，增加散射，降低器件性能。2007年彭練矛團(tuán)隊(duì)提出對(duì)于半導(dǎo)體性的碳納米管可以通過(guò)控制電極材料實(shí)現(xiàn)向晶體管選擇性注入電子或空穴，進(jìn)而達(dá)到控制器件中載流子濃度和類(lèi)型的目的。例如采用高功函數(shù)金屬鉛作為接觸電極，空穴可以被無(wú)勢(shì)壘地注入碳納米管的價(jià)帶，器件呈現(xiàn)為空穴型；采用低功函數(shù)金屬鈧

22、或者釔作為接觸電極，電子可以被無(wú)勢(shì)壘地注入碳納米管的導(dǎo)帶，器件呈現(xiàn)為電子型?；诖嗽?，可以完全放棄傳統(tǒng)半導(dǎo)體工藝中通過(guò)化學(xué)摻雜來(lái)控制材料電學(xué)性質(zhì)的核心理念，采用“無(wú)摻雜”方式實(shí)現(xiàn)高性能碳納米管CMOS電子和光電器件。利用這種新理念和新技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)2008年首次成功制備出高性能的碳納米管CMOS電路，在同一根碳納米管上實(shí)現(xiàn)了性能對(duì)稱(chēng)的電子型和空穴型器件的制備，且成型器件中電子和空穴的遷移率均達(dá)3000厘米2/(伏秒)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了硅基CMOS器件水平。柵介質(zhì)/界面器件的工作速度與器件中的電流成正比，而場(chǎng)效應(yīng)晶體管中溝道電流的控制是通過(guò)柵和溝道間的電容耦合來(lái)實(shí)現(xiàn)的。由于柵電容與柵介質(zhì)的介電常數(shù)成

23、正比，合適的高介電常數(shù)柵介質(zhì)是實(shí)現(xiàn)高效能場(chǎng)效應(yīng)晶體管的前提。自第一個(gè)CMOS集成電路問(wèn)世以來(lái)，氧化硅一直是柵氧化層的首選材料。2007年，英特爾在45納米技術(shù)節(jié)點(diǎn)首次采用具有高介電常數(shù)的氧化鉿(HfO2)取代氧化硅，極大地提高了CMOS器件的性能。雖然在硅基納米材料中，氧化鉿是合適的氧化層材料，但碳基納米結(jié)構(gòu)具有完美的晶格結(jié)構(gòu)，由于缺少成核中心，傳統(tǒng)的生成技術(shù)，如原子層沉積技術(shù)(atomiclayerdeposition，ALD)無(wú)法在碳納米結(jié)構(gòu)表面生長(zhǎng)出超薄氧化鉿介電層。彭練矛研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)金屬釔不僅可以和碳納米管的導(dǎo)帶形成完美歐姆接觸，適當(dāng)條件下將其氧化，還可在碳基納米材料上得到高質(zhì)量連續(xù)氧

24、化釔(Y2O3)介質(zhì)薄膜9。集成了這種柵介質(zhì)的碳納米管電子型晶體管首次達(dá)到了關(guān)斷特性(turn-offcharacteristic)的理論極限，其亞閾值擺幅在室溫下達(dá)到了60毫伏/倍頻程，被2013年ITRS選為“國(guó)際上性能最好的碳納米管晶體管”。氧化釔柵介質(zhì)成為ITRS推薦的唯一碳基器件柵介質(zhì)材料，被同時(shí)寫(xiě)入2011年ITRS的ERD和2011年、2013年的ERM報(bào)告中。碳納米管電子技術(shù)發(fā)展前景經(jīng)過(guò)半個(gè)世紀(jì)奇跡般的發(fā)展，硅基CMOS技術(shù)即將進(jìn)入10納米技術(shù)節(jié)點(diǎn)，并將在2020年之前達(dá)到其性能極限，后摩爾時(shí)代的納電子科學(xué)與技術(shù)的研究變得日趨急迫。目前包括英特爾和IBM在內(nèi)的很多企業(yè)認(rèn)為微電子

25、工業(yè)走到7納米技術(shù)節(jié)點(diǎn)時(shí)可能不得不面臨放棄繼續(xù)使用硅作為支撐材料。IBM研究人員系統(tǒng)層面的計(jì)算表明進(jìn)一步縮減器件尺度，漏電流所造成的系統(tǒng)性能下降將超過(guò)由于縮減器件尺度所帶來(lái)的速度等紅利，系統(tǒng)整體性能將不升反降。在不多的幾種候選材料中，碳納米管材料是唯一可以通過(guò)減小器件直至5納米技術(shù)節(jié)點(diǎn)而繼續(xù)提高系統(tǒng)整體性能的材料，是后摩爾時(shí)代硅材料最有希望的替代材料。高度成熟的硅基CMOS技術(shù)的保障是近乎完美的硅單晶材料的規(guī)模制備技術(shù)和精準(zhǔn)的基于摻雜的性能調(diào)控技術(shù)。雖然自1993年單壁碳納米管發(fā)現(xiàn)以來(lái)，碳納米管可控制備技術(shù)已有了極大的發(fā)展，但是不論在碳納米管的半導(dǎo)體純度控制方面還是碳納米管陣列的密度控制方面，距離成為理想的大規(guī)模集成電路制備用電子材料尚有一定距離。各種基于新的物理和化學(xué)方法的奇思妙想不斷涌現(xiàn)，但文獻(xiàn)報(bào)道的實(shí)驗(yàn)結(jié)果往往不可重復(fù)。碳