北京大学团队突破碳纳米管晶体管技术，性能超越硅基CMOS

北京大学团队突破碳纳米管晶体管技术，性能超越硅基CMOS

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澎湃

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来源

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https://m.thepaper.cn/newsDetail_forward_28280944

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https://baijiahao.baidu.com/s?id=1821526063413575522

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https://www.edu.cn/ke_yan_yu_fa_zhan/gao_xiao_cheng_guo/cheng_guo_zhan_shi/202407/t20240723_2625617.shtml

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http://www.semiinsights.com/s/bdt/15/48131.shtml

近日，北京大学电子学院张志勇教授团队在碳纳米管晶体管研究领域再次取得重大突破。团队通过优化栅工艺，成功将碳基MOS器件的界面态密度降低至6.1×10¹¹ cm^-2eV^-1，达到与硅基high-k栅界面相当的水平。基于此工艺，团队制备出高性能碳纳米管晶体管，其开态电流高达2.34 mA/μm，峰值跨导达2.42 mS/μm，且能在0.7 V的工作电压下保持高达5个量级的电流开关比。

这一突破不仅展示了碳纳米管晶体管在性能上的显著优势，更为其在高性能计算、人工智能等领域的实际应用铺平了道路。

随着摩尔定律逼近极限，传统硅基晶体管在性能提升方面遭遇瓶颈。相比之下，碳纳米管晶体管展现出多项显著优势：

1. 更高的电流密度：碳纳米管晶体管的电流密度超过硅和砷化镓，这意味着在同等尺寸下，碳纳米管晶体管能够提供更高的性能。

2. 更低的功耗：碳纳米管晶体管在低电压下仍能高效运行，特别适合对功耗要求严格的移动设备和物联网应用。

3. 更高的集成度潜力：90nm节点的碳纳米管晶体管性能已超越硅基28nm节点器件，且展现出进一步缩减至10nm节点的潜力，为继续提升芯片集成度提供了新的可能。

4. 柔性和透明性：碳纳米管可应用于柔性及透明电子设备，拓宽了其在可穿戴设备和新型显示技术中的应用领域。

在人工智能时代，对高性能、高能效芯片的需求日益迫切。碳纳米管晶体管在这一领域展现出巨大潜力：

• 人工智能加速：北京大学研究团队基于碳纳米管晶体管，成功制备了世界首个碳纳米管基张量处理器芯片。该芯片集成了3000个碳纳米管晶体管，能显著提升卷积神经网络的运算效率，且功耗极低，准确率达到88%。

• 高性能计算：碳基晶体管展现出比硅基CMOS晶体管更优的速度功耗综合优势。在180nm技术节点，碳基张量处理器具有3倍性能优势，并有延续至更先进节点的潜力，有望满足未来高性能计算对算力和能效的双重需求。

尽管碳纳米管晶体管展现出巨大潜力，但其商业化应用仍面临一些挑战：

1. 材料纯度：目前电子级碳纳米管材料的制备技术尚不成熟，需要进一步提高半导体纯度。

2. 大规模制造：如何实现碳纳米管晶体管的大规模、低成本制造，是产业化过程中需要解决的关键问题。

3. 工艺优化：虽然北京大学团队在栅工艺优化方面取得重要进展，但整体工艺成熟度仍需进一步提升。

面对这些挑战，学术界和产业界正在积极寻求解决方案。随着研究的深入和技术的进步，碳纳米管晶体管有望在未来十年内实现商业化应用，为电子产业带来革命性的变化。