碳纳米管场效应晶体管-现状和未来-刘力俊

  引用格式：  刘力俊,张志勇.碳纳米管场效应晶体管:现状和未来.中国科学:物理学力学天文学,2016,46:107305LiuLJ,ZhangZY.Carbonnanotubefield-effecttransistors:Presentandfuture(inChinese).SciSin-PhysMechAstron,2016,46:107305,doi:10.1360/SSPMA2016-00215© 2016 《中国科学》杂志社碳纳米管场效应晶体管:现状和未来刘力俊,张志勇* 北京大学电子学系,纳米器件物理与化学教育部重点实验室,北京100871*联系人,E-mail:[e-mail]收稿日期:2016-04-21;接受日期:2016-05-16;网络出版日期:2016-06-27国家自然科学基金资助项目(编号:61321001,61322105,61376126)摘要       硅基互补型金属氧化物半导体(ComplementaryMetalOxideSemiconductor,CMOS)场效应晶体管工艺已经发展到了14nm技术节点,预计将很快到达其极限,需要寻找新的信息器件来延续摩尔定律.由于具备超小尺寸、高迁移率等显著优点,碳纳米管被认为是后摩尔时代最有潜力替代硅作为晶体管沟道的纳米材料之一.经过近20年的研究,基于碳纳米管场效应晶体管的技术已经取得了巨大的进步.本文将回顾碳纳米管场效应晶体管领域的关键性技术,包括N型欧姆接触实现、“无掺杂”CMOS技术、自对准顶栅结构以及尺寸缩减技术等.而且我们将分析碳纳米管晶体管在大规模材料制备以及碳管和电极接触方面存在的问题,并提出可能的解决方案.在此基础上,通过分析实验数据和模拟结果,对碳纳米管电子学的未来发展做出预测和展望,结果表明碳纳米管晶体管的潜力巨大,通过对材料和器件结构进行合理优化,碳纳米管晶体管在性能上可能远远超过硅基半导体对应技术节点的晶体管,成为后摩尔时代极其具有竞争力的信息器件.关键词     碳纳米管,场效应晶体管,纳米电子PACS: 73.63.Fg,73.23.Ad,73.40.Cg,73.40.Sx,73.43.Fj1  引言现代电子信息技术的基础是集成电路芯片,而构成集成芯片的器件单元几乎都是由硅基CMOS场效应晶体管(FieldEffectTransistors,FET)组成.场效应晶体管是一个电压控制电流源的元件,通过栅极的调制,来控制源漏之间的电流大小,使其呈现开态和关态,由此定义逻辑1和逻辑0.场效应晶体管的核心部分就是被栅调制的沟道部分,传统的场效应晶体管的沟道是单晶硅.几十年来,产业界对硅基CMOS器件的发展策略是基于摩尔定律(Moore’sLaw)不断缩小关键尺寸,提高集成度,从而实现功能更加强大、功耗更低、速度更快且成本更低的集成电路芯片.早期的CMOS发展相对简单,只需提升加工精度,根据等比原则简单缩减器件横向和纵向尺寸.但是进入21世纪后,维持摩尔定律需要不断引入新的结构和材料,比如在90nm节点开始推出应变硅(StrainedSilicon)技术,从45nm技术节点使用高κ栅介质和金属栅技术,从22nm技术节点开始使用鳍型晶体管结构(FinFET).可以说,场效应晶体管技术发展到今天,已然是一个由智慧集成的结晶,从中国科学:物理学力学天文学2016年 第46卷 第10期: 107305SCIENTIASINICAPhysica,Mechanica&Astronomicaphyscn.scichina.com评述微纳电子技术进展专辑刘力俊等.  中国科学: 物理学 力学 天文学    2016年   第46卷   第10期107305-2最初发现时的简陋结构演变成如今的主流结构已经经过了无数次的优化.然而,发展到今天的CMOS晶体管技术逐渐面临一个不可回避的事实:即将到达其物理极限[1,2].按照国际半导体路线图委员会(InternationalTechnologyRoadmapforSemiconductor,ITRS)的评估,这个时间节点大约在几年之后的2020年到来.最近英特尔公司意识到不得不放弃传统的硅基CMOS技术工艺,并宣布会在7nm技术节点放弃用硅作为场效应晶体管的沟道,转而寻找替代材料,并由此发展新的半导体集成电路技术.一种有潜力作为下一代亚10nm场效应晶体管沟道材料的选择需要极为慎重,应该从多个方面进行评估.首先,这种半导体材料必须足够薄或者足够细.众所周知,当晶体管沟道长度足够小的时候,栅对沟道的调控将会显著地受到源漏的影响,如同源漏在和栅争夺对导电沟道的控制权,从而导致晶体管的主要性能下降,这就是短沟道效应(ShortChannelEffect),而消除短沟道效应的一种有效方法就是增加栅电容,这也是22nm技术节点前普遍采用的主要策略:缩减栅介质厚度和采用高κ栅介质材料.但由于量子隧穿效应的限制,栅电容改进的空间已经不大.另外一个方法就是将沟道变薄,沟道越薄就越容易受栅控制,对短沟道效应的免疫力越强.因此,硅基集成电路中采用过的绝缘衬底上的硅技术(SilicononInsulator,SOI)和FinFET技术就是将沟道减薄以抑制短沟道效应.其次,沟道材料的电子和空穴的迁移率都应该足够高.迁移率代表载流子在电场中漂移速度的大小,对应晶体管的跨导和饱和电流等关键性能参数的潜力.本征迁移率更高的材料,其器件跨导更高,速度更快,也更容易实现更高的饱和开态电流.第三,半导体沟道材料应当具有较长的载流子平均自由程,更容易实现弹道输运,这是一种载流子在晶体管沟道中无损传输的最理想的模式,从而实现制备弹道晶体管,降低功耗.根据以上3点对各种有潜力的半导体材料进行考察,实际上会发现,可以选择的材料并不多.第四,该材料应该是可以批量制备的,这是实现产业化的前提.碳纳米管以其超小的尺寸(直径1–3nm)、超高的对电子和空穴的本征迁移率(大于1´105cm²/(Vs))和超长的载流子平均自由程(一般大于1μm)脱颖而出.(1)碳纳米管直径仅有1–3nm,意味着其作为晶体管的沟道更容易被栅控制,短沟道效应,特别是漏端引入的势垒降低(DrainInducedBarrierLowering,DIBL)具有更强的免疫力,因此,在同等栅电容下,碳纳米管晶体管比传统硅基晶体管在比例缩减上的潜力就会更大.(2)碳纳米管具有超高的室温载流子迁移率和饱和速度[3].实验数据表明,室温下,碳纳米管中载流子迁移率高达1´105cm2/(Vs),大约为硅的100倍,饱和速度为4×107cm/s,大约是硅的4倍,而且没有速度过冲现象.我们知道,对于场效应晶体管,迁移率和饱和速度是非常重要的参数,在相同沟道长度下,载流子迁移率越高,饱和速度越高,器件跨导越大,开态电流越大,速度越快.除此之外,碳纳米管中电子和空穴的迁移率是对称的,使碳管有潜力实现N型和P型性能对称的CMOS.(3)碳纳米管具有超长平均自由程[4],主要是因为一维结构大大减小了散射的相位空间,散射几率低,室温下声学声子散射的平均自由程可以达到微米量级,光学声子散射平均自由程为15nm左右.而当今最先进的晶体管沟道尺寸都已经缩减到10nm量级,在这个尺度上,采用碳纳米管作为沟道很容易实现弹道输运晶体管,弹道输运是载流子在通道中无散射传输的一种最理想的模式,能大大增加能量的利用效率.结合(1)的尺寸缩减潜力和(3)的弹道输运特性,使碳纳米管晶体管和集成电路具备超低工作电压驱动的潜力,从而在低功耗方面具有巨大优势.综上所述,在沟道材料的选择中,碳纳米管沟道同时具备了天然小尺寸、更好的器件尺寸缩减潜力、高开态驱动和低功耗潜力等晶体管的关键因素.从器件物理角度分析,碳纳米管非常适合构建未来的小尺寸晶体管,因此,碳纳米管晶体管技术被认为有潜力成为下一代集成电路晶体管的替代技术,从而引起了广泛的关注和研究.从1998年第一个基于碳纳米管的场效应晶体管发展至今已经经历近20年,凝聚了众多科研工作者的辛勤努力工作.本文将聚焦碳纳米管晶体管,从碳纳米管晶体管的工作原理开始讲起,引出碳纳米管晶体管领域的发展以及重要研究成果和研究现状,其中着重回顾碳纳米管晶体管的一些关键科学和技术问题,包括欧姆接触、极性控制、栅结构和器件结构优化、“无掺杂”CMOS技术等.最后,将分析和阐述碳纳米管晶体管技术的未来发展所面临的一些亟待解决的问题和可能的解决方案,预测未来理想中的碳纳米管晶体管技术的雏形,展望碳纳米管电子学的发展前途.刘力俊等.  中国科学: 物理学 力学 天文学    2016年   第46卷   第10期107305-32  碳纳米管场效应晶体管器件的研究进展2.1  早期基于碳纳米管晶体管的研究1998年,荷兰Delft大学的Dekker等人[5]和国际商用机器公司(InternationalBusinessMachinesCorporation,IBM)的Martel等人[6]分别最早制备出了基于碳纳米管的场效应晶体管,器件结构非常简单,实际上就是把一根半导体型碳纳米管搭接在两个Pt或者Au电极之间,采用硅基底作为底栅电极.早期器件都采用一些化学稳定性很高的金属例如Pt或者Au,但是由于碳纳米管和这些金属的接触会形成较大的肖特基势垒,输出电流极小,其性能远不如同时期技术节点的传统硅基器件,完全没有显示出碳纳米管材料在电学方面的优势.真正高性能的碳纳米管晶体管始于2003年,研究人员发现采用金属钯Pd做碳纳米管的电极,能和碳纳米管的价带形成理想的欧姆接触,实现了空穴型(P型)弹道晶体管[7].并结合原子层沉积(AtomicLayerDeposition,ALD)生长的高κ栅介质材料实现了高性能P型碳纳米管顶栅晶体管,室温下亚阈值摆幅可以达到70mV/dec,开态电导高达碳管理论量子电导的一半(Gon=0.5G0,G0=4e²/h,e为单位电子电荷量,h为普朗克常量),碳管和金属的接触电阻达到了10kΩ,已经接近单根碳管的量子电阻6.5kΩ[8].而且,研究人员对碳纳米管场效应晶体管的工作机理进行了系统深入的探索.IBM的Phaedon团队的一系列工作[9–11]发现,碳纳米管晶体管的工作模式是肖特基场效应晶体管(SchottkyBarrierFET,SBFET),即源漏电流大小由碳管和电极之间的肖特基势垒决定,栅的作用实际上是调控碳管费米能级的高低,由此改变接触势垒的厚度和高度,达到调控电流大小的目的.其源漏间电流Ids可以由如下表达式决定:IehFEFEeVPEE4[()()]d,dsD=+VD是源漏偏压,F(E)是费米函数,而P(E)是和能级相关的透射几率,透射几率决定于肖特基势垒的厚度和高度.因此,无掺杂的碳纳米管晶体管从工作机制上来讲实际上是肖特基晶体管.相对于P型碳纳米管场效应晶体管的快速发展,N型碳纳米管晶体管的发展进度滞后很多.早期的研究组希望沿用硅基掺杂技术的思路,例如K掺杂技术[12],来制备N型器件,但是由于碳纳米管是一种非常完美的结构,表面没有悬挂键,碳纳米管不易与结合较弱的钾原子掺杂,因此会出现掺杂不稳定,很难控制.因此,N型器件的发展滞后一直是制约整个碳纳米管CMOS集成电路发展的难题.2005年英特尔公司的Chau等人[13]对主要纳米晶体管进行了评估,在提到碳纳米管晶体管的发展技术的这一部分时提到,虽然碳纳米管P型器件性能优于相应节点的传统硅器件,但是基于碳纳米管的N型器件则远远逊于硅基器件,集成电路需要P型和N型性能匹配的CMOS逻辑电路,N型碳纳米管器件的落后实际上制约了碳纳米管场效应晶体管的发展.2.2  高性能N型碳纳米管晶体管和“无掺杂”碳纳米管CMOS的实现由于上文提到,碳纳米管的N型器件发展滞后一度阻碍了碳管电子学的发展.这一问题被解决于2007年,当时北京大学的研究人员发现低功函数金属Sc与碳纳米管形成欧姆接触,实现了N型碳纳米管弹道晶体管[14],Sc不仅可以与碳纳米管形成良好的浸润