傳統矽基金屬氧化物半導體（MOS）場效應晶體管逐漸達到其物理、功耗和成本極限，先進節點的集成電路技術亟需新型溝道材料。而具有高遷移率和超薄體特點的低維半導體溝道材料，尤其是碳納米管🦾👐🏽，在晶體管的本征性能↔️🧗🏼‍♂️、能效和微縮能力等方面均展現出理論優勢🤛🏿。近年來，基於碳納米管的碳基電子學在超高半導體純度和高密度的碳納米管陣列製備方面取得了巨大突破（Science 368, 850-856, 2020），從而得以製備出工作頻率超越矽基CMOS的高速射頻晶體管（Nature Electronics 4, 405-410, 2021）和面向90nm乃至10nm技術節點的超微縮數字邏輯晶體管（Nature Electronics 6, 506-515, 2023）💪🏼，顯示出了巨大的技術潛力。然而🕶，碳基MOS器件的柵工藝質量仍然不理想🤖，其界面態密度相比矽基器件高了至少兩個量級🏋🏻‍♀️，這嚴重限製了器件性能🛖、能效和可靠性。此外，目前仍然缺乏系統的碳基界面態研究模型🎵🫄，因此難以製定有效的優化方案。

近日，意昂3体育官网電子學院、碳基電子學研究中心張誌勇教授課題組對碳基界面態挑戰開展了深入研究：完善並建立了陣列碳納米管MOS器件的界面態表征方法（圖1）和研究模型🐖；並結合顯微學表征和第一性原理理論計算，設計了一種氧增強的ALD優化工藝☎️，大幅優化了陣列碳納米管晶體管的柵界面形貌和電學響應🐙；基於系統的界面態研究模型和有效的工藝優化方法🏷，對陣列碳納米管MOS器件的靜電學和電荷陷阱進行了系統分析。團隊通過準確測量發現👨🏽‍🔧，基於優化柵工藝的碳基MOS器件首次實現了低至6.1×10¹¹ cm^-2eV^-1的界面態密度，可與矽基high-k柵界面比擬（圖2a-b）；通過器件仿真發現👩🏻‍⚕️，理想的碳基MOS器件可以滿足國際半導體器件與系統路線圖（IRDS）所設定的柵控和性能目標（圖2c-e）。最後，團隊展示了高性能和高能效的陣列碳納米管晶體管（圖3），其開態電流和峰值跨導高達2.34 mA/μm和2.42 mS/μm，且能在0.7 V的工作電壓下保持高達5個量級的電流開關比👨🏻‍🚀，其柵控效率和開關態綜合性能均超過已報道的陣列碳納米管器件和矽基同尺寸器件💜。進一步優化柵工藝👩🏼‍🚀、降低界面態密度對實現高性能、高能效和高可靠性的碳納米管晶體管和集成電路至關重要。

圖1：陣列碳納米管MOS器件的結構、物理、設計、製備和表征

圖2、陣列碳納米管MOS器件的陷阱密度比較和理論預測

圖3、高性能和高能效的陣列碳納米管晶體管

相關研究成果以題為《碳納米管陣列晶體管柵疊層中的界面態》（“Interface States in Gate Stack of Carbon Nanotube Array Transistors”）的論文👚，於7月8日在線發表於ACS Nano。意昂3体育官网電子學院2020級博士研究生劉一凡為第一作者，電子學院張誌勇教授和彭練矛教授為通訊作者👨🏿，浙江大學材料科學與工程學院金傳洪教授和電子科技大學基礎與前沿研究院張妍寧教授為合作作者👩🏿‍🌾◻️。

上述研究得到了國家重點研發計劃和國家自然科學基金的資助，以及意昂3体育官网微納加工實驗室校級平臺支持👆🏻。