摘要
在摩尔定律主导工艺制程的背景下，单个晶体管特征尺寸微缩到亚 10 nm 以下。在器件微缩过程中，短沟道效应阻碍了器件性能的进一步提升。为延续摩尔定律，人们必须不断探索新材料和新型器件结构。半导体型单臂碳纳米管具有一维结构和超长平均自由程，二者保证了碳纳米管晶体管具有理想的门控和准弹道传输特性。研究人员在实验中已制备了亚 10 nm 栅长碳纳米管晶体管，且最小的（5 纳米栅长）碳纳米管晶体管已表现出相当潜力，其在 0.1 V 偏压下的亚阈值摆幅可达 70 mV/dec，单级门延时为 43 fs。当栅长微缩至 5 nm 以下，碳纳米管晶体管的高性能是否依然能够保持，实验还没有提供验证。因此使用准确的第一性原理的计算方法进行性能预测是十分有意义的。基于以上的科学问题，北京大学吕劲研究员课题组使用实验数据校准的第一性原理方法来研究基于环栅的亚 5 nm 栅长碳纳米管晶体管性能。研究发现，具有环栅的碳纳米管晶体管在 2 nm 栅长节点可以提供 1.3 mA/μm 的高开态电流，满足国际半导体路线图在2028 年对高性能器件的需求。此外，由于碳纳米管独特的电学特性，和基于高性能二维材料和硅鳍的场效应晶体管相比，具有环栅的碳纳米管晶体管的能量延时积具10-100倍的优势。
研究内容
作者采用具有合适带隙的(8, 0)手性碳纳米管作为沟道单元。和适合作为晶体管沟道的(16, 0)碳纳米管相比，他们具有相似的能带结构，且(8, 0)的碳纳米管单元原子数更少，在计算资源的允许范围内。器件的结构采用环栅结构，该结构适合碳纳米管的一维纳米线特征，且具有门控大的特点，适合探索碳纳米管晶体管极限性能。
图1. 不同手性碳纳米管能带特征及环栅碳纳米管晶体管结构图示
作者通过调节源漏端的掺杂浓度，得到实验数据校准的第一性原理模型。基于该模型，得到具有不同栅长度和不同underlap的环栅碳纳米管晶体管的转移特性曲线。
图2. 实验校准、不同掺杂浓度、不同栅长度及underlap的碳纳米管晶体管转移特性曲线
作者发现，环栅碳纳米管晶体管在合适的undelap设计下，在2 nm栅长节点依然可以保持大于1 mA/μm的大开态电流，满足国际半导体路线图在相应栅长节点电流性能要求。
图3. 环栅碳纳米管晶体管性能表现
在延时和功耗方面，环栅碳纳米管晶体管则展示出了较大的潜力。和其他基于高性能二维材料场效应晶体管比较，环栅碳纳米管在能量延时积方面具有10-100倍的优势。
图4. 环栅碳纳米管晶体管和基于二维材料晶体管性能对比
由于实验中会存在一些不理想因素，为实际工作场景下的性能预测提供空间，将关态电流设置为标准性能要求（10 nA/μm）是合理的。在该标准下，只有5 nm栅长环栅碳纳米管晶体管呈现出高于900 μA/um的开态电流。因此，虽然理论上碳纳米管晶体管栅极长度可以微缩至2 nm，但在性能和功耗之间折中考量，5 nm是栅长的微缩极限。
图5. 环栅碳纳米管晶体管的开态电流-关态电流关系
总结
本文使用实验数据校准的第一性原理方法来研究基于环栅的亚5 nm栅长碳纳米管晶体管性能。研究表明，具有环栅的碳纳米管晶体管在2 nm 栅长节点可以提供1.3 mA/μm的高开态电流，满足国际半导体路线图在2028 年对高性能器件的需求。此外，由于碳纳米管独特的电学特性，和基于高性能二维材料和基于硅鳍的场效应晶体管相比，具有环栅的碳纳米管晶体管的能量延时积具备10-100倍的优势。考虑到实际电路中功耗和性能的折中，5 nm是碳纳米管晶体管栅长微缩的极限。该工作对于碳纳米管晶体管的实验实现和优化具有指导意义，有望推动小尺寸碳纳米管晶体管领域的进一步发展。
参考
- Lin Xu, Jing Lu*, Zhiyong Zhang*, et al. Can Carbon Nanotube Transistors Be Scaled Down to the Sub-5 nm Gate Length?. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2021, 13(27): 31957-31967