NSFC碳基无掺杂纳电子器件和集成电路.docx

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NSFC碳基无掺杂纳电子器件和集成电路

项目名称：

碳基无掺杂纳电子器件和集成电路

首席科学家：

xxx

起止年限：

2011.1至2015.8

依托部门：

教育部

二、预期目标

本项目的总体目标：

本项目的总体目标为发展有自主知识产权的低成本高性能碳基纳电子、光电子集成芯片，建设一支高水平的碳基纳米电子和光电子学的研究队伍，培养相关领域的优秀青年人才，将项目的主要支撑单位“纳米器件物理与化学教育部重点实验室”建设成为国际著名的纳米器件研究中心。

在碳纳米管CMOS集成电路方面，制备出中等规模的碳纳米管CMOS集成电路，例如碳纳米管全加器。

在高性能碳纳米管基光电器件方面，做到发光器件的室温电致发光光谱的半高宽和荧光光谱相当，即不大于30meV，探测器的光电压不小于0.2V，并初步实现纳电子电路的电信号与光通讯电路的光信号间的相互转换。

五年预期目标：

五年预期目标为探索碳基纳电子和光电子器件的极限性能，并利用这些器件构建成若干高性能电路，预计可以取得如下成果：

（1）集成电路用碳纳米管阵列的可控生长。

在晶片尺寸绝缘基底上制备出直径大约在1.5nm，管径分布不超过0.3nm的平行半导体性单壁碳管，初步实现碳纳米管的间距和位置可控，半导体性碳纳米管含量高于95%。

（2）适合于碳基电子学的高κ栅介质材料。

在碳纳米管或石墨烯上生长出等效氧化层厚度（EOT）小于2纳米的栅介质薄膜，薄膜材料能隙在5电子伏特以上，在1MV/cm的电场下，漏电流低于10mA/cm2，对器件载流子迁移率和电导的损害在10%以下。

（3）碳基新型射频电路。

测量高频下碳基纳米结构的动能电感，利用碳纳米结构搭建新型的碳基射频电路。

（4）纳米阻变存储器。

利用碳基材料作为存储介质，结合传统硅基驱动电路，实现可工作的原型碳基纳米存储器。

（5）优秀人才培养。

将年轻学者培养成为能够独当一面的学科带头人，项目执行期间培养出1-2名国家杰出青年基金获得者；将一线工作的优秀学生培养成为具有独立工作能力的优秀科研工作者，项目执行期间培养出2名以上的市级和国家级优秀博士论文获得者；毕业50名以上博士后和研究生。

将本项目主要支撑实验室“纳米器件物理与化学”教育部重点实验室建设成为国际著名的纳米电子和光电子器件研究基地，每年在重要的学术会议上应邀做10个以上的特邀报告。

（6）项目执行期间发表100篇以上高影响因子（大于3）论文，申请20个以上与纳米器件和电路相关的发明专利。

三、研究方案

（一）学术思路：

本项目是在前期项目“基于一维纳米材料的新原理器件：

纳米碳管为基的纳米器件”（2010年结题）的基础上提出来的。

在前期项目的实施过程中我们积累了大量平行碳纳米管阵列的生长经验和单个碳纳米管电子器件的研究经验（见如下项目发展路线图的第二列所示）。

本项目的总体研究思路是一方面进一步完善碳基纳米材料的可控制备，另一方面争取从上一个项目主要是对于单个器件（晶体管）的研究发展至更复杂的中等规模集成电路，从单一的电子器件发展至电子-光电子集成电路，从数字电路延伸到模拟和射频电路，从简单的纳米器件到结合微电子的驱动电路与碳基纳米存储电路的完整系统（从如下项目发展路线图的第二列发展到第三列）。

（二）技术途径

本项目考虑的碳基纳米材料主要为碳纳米管材料。

我们前期项目的结果表明半导体性的单壁碳纳米管可以用于制备高性能的CMOS器件，速度和功耗较相同尺寸的硅基器件都有很大优势。

本项目在数字逻辑电路方面仍将主要考虑碳纳米管基的CMOS集成电路。

在光电器件方面，半导体性的碳纳米管有一个确定的能隙，以及很强的室温激子效应，可以用于高效红外光源的制备，同时也可以用来制备光探测器。

在碳纳米管基的光源和探测器方面我们已经有了很好的基础。

但是石墨烯是一个零带隙的半导体材料，可以在全光谱范围内有效地吸收，可能是一个比碳纳米管要灵敏得多的光探测材料。

石墨烯和碳纳米管有许多相近之处，本项目将仔细比较碳纳米管和石墨烯光探测器的性能特征，将最适合于我们光互联方案的器件集成到我们最终的系统中。

对于碳基阻变存储器件，我们前期的研究发现不论是石墨烯材料、碳纳米管，还是近非晶碳材料都可以观察到高达105-6的阻值变化。

具体选择哪种材料需要综合考虑制备成本、最终器件的性能、稳定性和工艺的兼容性，但这几种碳基材料的制备对本项目组来讲都不陌生。

存储器件单元拟首先采用结构紧密的1R1D（oneresistoronediode）结构，外围的驱动电路采用硅基的传统读写电路。

本项目在这个方向的研究重点在于探索硅基和碳基电路的有效结合。

目前我们的小尺寸弹道器件的制备主要依赖电子束光刻设备。

但碳基特别是碳纳米管器件的加工基本是一维的，一旦解决了材料可控生长的问题，传统的深紫外光刻和纳米压印设备都有望能够用于碳基器件的规模加工。

此外Intel公司发展的用于加工10纳米以下器件的spacegatetechnology也有可能被用于加工弹道碳基器件，摆脱对电子束光刻设备的依赖，达到增加效率、降低制备成本的目的。

（三）创新点与特色

虽然目前国际上碳基纳米电子学成为了倍受关注的研究方向，许多研究机构包括国际半导体路线图委员会也强烈推荐重点投资加强碳基纳米电子学的研究，但直到目前国际上尚没有一个成熟的后摩尔时代电子学发展的具体方案。

我们研究方案的主要特色和创新性是无掺杂，无论前期提出的碳纳米管CMOS器件的集成方案还是本项目拟重点开展的碳基电子和光电子集成电路研究均将通过控制载流子的注入而不是掺杂来控制器件的性能。

完全无掺杂的集成方案不但大大降低了整个工艺的复杂性和集成电路的加工成本，而且还可以避免传统半导体技术在纳米尺度由于掺杂而导致的一系列均匀性和稳定性等方面的问题，使得本项目的技术方案有很大的成功的可能性。

相较于传统的半导体材料，碳纳米管不仅具有极为优秀的电学特性，还是直接带隙半导体，拥有很好的光电转换效率和电致发光效率，因此是电子/光电子特性结合完美的半导体材料，本项目的另一个重要的特色就在于充分利用碳基材料（特别是碳纳米管）独特的能带结构，实现电子/光电子器件和电路的有效集成，从而将大大扩展系统的功能。

（四）可行性分析

前期项目的实施使得我们在碳基纳米结构的可控生长和拟开展的4个从器件到电路的研究方向都有了一定的积累，为本项目下一步的具体实施打下了坚实的基础。

前期项目的工作表明我们的无掺杂方案对于单个器件（包括n型FET、p型FET，发光二极管和光电二极管）是可行的，对于最简单的CMOS电路（反相器）也是可行的。

对于更复杂的电路和系统，虽然我们已经遇到了一系列技术上的挑战，但从目前的经验来看，这些技术难点原则上都是可以克服的，在本项目5年的执行期内制备出中等规模的无掺杂碳基集成电路的可能性是很大的。

四、年度计划

研究内容

预期目标

第

一

年

硅片和/或其它绝缘基底上高质量性质均匀的超长单壁碳纳米管的生长，主要研究CVD条件（温度、碳源等）对碳纳米管结构和质量的影响；探索基底上单根单壁碳纳米管的结构表征方法。

探索适合碳基纳米电子器件的高κ栅介质材料以及制备方法，优化碳纳米管晶体管的性能和制备工艺，在一根半导体碳纳米管上批量制备出性能均匀的电子（空穴）型场效应晶体管。

通过非对称电极结构，实现无肖特基势垒的碳管二极管的发光，研究碳纳米管的电致发光特性的相关特征。

开展碳基阻变材料和存储单元的制备，从几何尺寸和接触电极材料的选择两个方面开展存储单元优化设计。

初步开展碳基材料在射频集成电路中的应用研究。

初步实现器件用高质量单壁碳纳米管的制备，获得结构和性质均一的超长（厘米级）单根半导体性单壁碳纳米管。

这种碳管中电子和空穴迁移率均超过3000cm2/Vs，载流子平均自由程超过600纳米。

在碳基纳米结构上均匀的生长出等效氧化层厚度小于2纳米的高κ栅介质薄膜，在1MV/cm的电场下，漏电流不高于10mA/cm2；在一根碳管上制备出超过100个高性能碳纳米管场效应晶体管，器件成功率高于80%，单个器件主要性能超过相应硅基器件。

制备出高性能的碳纳米管基发光器件，室温电致发光光谱的半高宽不大于30meV,发光二极管的开启电压小于2V。

优化器件的设计和工艺；解决纳米尺度Via、低电阻欧姆接触等关键技术问题。

制备出电阻变化率不小于103，样品翻转速度为纳秒量级的单元结构。

第

二

年

催化剂种类和粒径等对单壁碳纳米管生长的影响，重点研究其对纳米管的直径分布和阵列密度的影响；建立准确的碳纳米管直径表征技术；探索催化剂粒子在基底上的定位排布方法。

探索在同一根半导体碳纳米管上批量集成高性能CMOS器件，研究对n型和p型器件的阈值电压的控制；评估碳管器件和电路在极端温度环境下工作的可能性。

研究碳纳米管的逻辑电路与发光器件的简单集成特性。

如CMOS反相器或者场效应晶体管与碳管发光二极管器件的集成方式与控制电路设计。

开展碳基纳米材料的存储单元的测试，对用于碳基阻变存储器的驱动和读出电路进行设计探索；开展碳基材料高频元器件的结构优化和测试问题。

在SiO2或其它适合集成电路制备的绝缘基底上初步实现直径和密度可控的单壁碳纳米管阵列的制备。

在同一基片上实现同时在两根以上的半导体碳纳米管上制备出规模不低于100对n型和p型碳纳米管场效应晶体管，其中电子和空穴的迁移率都超过3000cm2/V.s，并能够控制n型和p型器件的阈值电压，使其完全匹配，实现基于这些晶体管的CMOS基本逻辑门的构建。

在同一根碳管上通过逻辑电路对发光器件的逻辑控制，实现电信号的调制产生光信号的调制。

初步实现碳管光电器件的单片集成。

制备出不低于22碳基存储阵列，通过外部驱动电路实现对读写操作的循环性，存储数据的稳定性等比较全面的测试评估。

第

三

年

 通过合适的催化剂的选择及反应条件和环境的调控，探索全半导体性单壁碳纳米管阵列的生长。

在一根半导体碳纳米管上加工具有完整功能的CMOS电路，完成具有芯片规模的高性能碳纳米管CMOS器件的批量制备。

深入理解碳纳米管的独特光电特性，通过优化器件结构和工艺，实现高效的碳管二极管光电探测器。

光探测器产生的电信号作为逻辑电路的输入信号与逻辑电路的控制关系。

开展碳基功能材料在射频集成电路的应用研究，包括高频元器件的制备和测试。

在SiO2或其它适合集成电路制备的绝缘基底上初步实现全半导体性单壁碳纳米管阵列的可控生长。

制备出7级以上的环形振荡器、半加器等具有独立功能的CMOS集成电路，实现在同一芯片上的超过10根半导体纳米管上实现超过1000个晶体管的规模加工，实现大于80%的产率；

制备出高性能的碳基光探测器，光电压不小于0.2V，光电流大于10nA。

初步实现光信号对碳管逻辑电路的控制，实现光-电信号的转化。

开发出成套碳基高频FET器件制备工艺，实现可在GHz波段工作的碳基纳米器件。

第

四

年

 制备粒径均一的单壁碳纳米管生长催化剂，研究各种粒径的催化剂适宜的碳纳米管生长条件以及所制备出的单壁碳纳米管的直径分布。

中等规模CMOS集成电路；探索结合定位生长碳管与光学光刻结合的规模集成碳管CMOS电路的方法。

研究碳纳米管和半导体纳米线（或者光纤等）的光学耦合特性。

探索碳管发光器件和光电器件与半导体纳米线或者光波导的可能结合。

尝试混合纳米光电集成。

对碳基存储器的阻值变化，读写操作的循环性，存储数据的稳定性等做比较全面的测试评估，开展碳基纳米材料1Kb存储系统的研制，包括开发专用的驱动和读出电路。

在SiO2或其它适合集成电路制备的绝缘基底上初步实现管径可控的半导体性单壁碳纳米管阵列的可控生长。

在单根半导体性碳纳米管上实现超过100个晶体管的中等规模CMOS集成电路（例如全加器），在两根相邻的碳纳米管上实现二维碳纳米管晶体管的功能集成；

通过特殊设计和加工的结构实现对碳纳米管发光性质的控制，包括发光光谱宽度和传播的控制。

开发出碳基存储器专用的驱动和读出电路。

通过对于1Kb碳基阻变存储器件的集成，初步实现碳基器件同当前半导体工艺的有机结合，并能够在集成电路试验线上得到原理性验证。

第

五

年

使用具有最佳粒径的催化剂，并对催化剂粒子进行定位排布，在优化的生长条件下研究SiO2或其它适合集成电路制备的绝缘基底上直径、位置可控的半导体性单壁碳纳米管阵列的可控生长。

通过纳米压印或其它方法实现芯片规模的批量碳基纳米CMOS器件的加工；优化器件和电路设计，进一步提高碳管CMOS电路在速度和功耗方面的优势

研究碳基纳电子和光电子器件集成。

研究从逻辑电路信号到光信号，再从光信号到逻辑信号的转化特性。

碳基存储器以及碳基高频器件的集成、测试。

在晶片尺寸绝缘基底上制备出直径大约在1.5nm，管径分布不超过0.3nm的集成电路用平行半导体性单壁碳管，初步实现碳纳米管的间距和位置可控，半导体性碳纳米管含量高于95%。

找到一种有效的方法能够大规模、低成本的制备出高性能碳纳米管CMOS集成电路，例如碳纳米管全加器。

初步掌握碳基纳电子和光电子器件的集成技术。

在较小的尺度下实现简单的光电集成。

初步实现纳电子电路的电信号与光通讯电路的光信号间的相互转换。

利用碳基材料作为存储介质，实现可工作的原型碳基1Kb纳米存储器，实现可在G赫兹波段工作的碳基纳米电子电路。

一、研究内容

本项目最终的目标是低成本、高性能、低功耗、多功能碳基芯片。

本项目将围绕着这个最终目标，在碳基及相关材料、器件制备及相关物理、系统集成等几个方向展开研究。

主要研究内容包括：

（一）碳基纳电子材料

微电子产业的巨大成功在很大程度上应归功于硅材料近乎完美的制备和加工工艺。

碳基纳米电子学发展的前提也是碳纳米材料，特别是碳纳米管材料的可控制备和加工。

碳纳米管基集成电路的制备要求高质量的直径大约在1.5±0.3nm的半导体性单壁碳管在绝缘基底上的平行和间距可控的生长。

对于纳米电子学器件研究同等重要的是合适的电极（包括接触电极和非接触的栅极）材料的探索，高效率和高性能的栅介质材料的研究。

碳基器件的特殊性在于碳纳米管和石墨烯材料表面的化学活性都不太强，这保证了碳基器件的稳定性，但给高效栅介质材料的生长带来了很大的困难。

适合于碳基器件的高效栅介质材料的探索也将构成本项目重要的材料研究内容。

（二）碳基纳电子器件及集成技术

我们前期的工作证明了对于碳纳米管器件，我们可以完全放弃掺杂，通过控制载流子的注入来实现n型和p型器件。

这个无掺杂工艺极大地降低了碳纳米管CMOS集成工艺的复杂性。

但直到目前为止我们仅仅制备出了最为简单的CMOS电路-反相器。

从单个器件到复杂电路将要面临巨大的技术挑战，其中最重要的就是单个器件的阈值电压，或工作点的控制问题。

这个工作点受到了一系列因素的影响，其中包括栅介质的质量以及和碳纳米管的界面情况等。

在纳电子器件和电路研究方面，本项目将重点解决这些器件规模集成所面临的问题，探索弹道对称CMOS电路在数字逻辑电路中的优势。

量子电容和电感在高频下对碳基器件和互联的影响，利用量子电容和动能电感设计出新型的无源射频器件和电路也将是本项目拟开展的研究内容。

（三）碳基纳米光电器件与光互联

碳纳米管的电子能带在费米面附近基本是对称的，属直接带隙材料，有很好的红外波段的光电性能。

我们前期项目研究发现无掺杂CMOS技术同样可以被用于构建高性能的光电器件。

在一个碳纳米管CMOS反相器电路中，有一段介于n型和p型晶体管的碳纳米管是非对称接触的结构。

正偏压下，在这段碳纳米管的一边通过n型电极（Sc或Y）电子可以直接被无势垒地注入到碳纳米管的导带，在另一边空穴可以通过p型电极（Pd）被无势垒地注入到碳纳米管的价带，构成一个无势垒双极性二极管[我们命名为barrier-freebipolardiode,BFBD]。

这个器件单元既可以用作一个纳米红外光源，也可以用作光探测器。

由于这个器件单元本身就是碳纳米管CMOS电路的一部分，为下一步电子和光电子器件的集成提供了一个非常理想的平台。

本项目下一步拟重点考虑碳纳米管逻辑电路的输出电信号通过BFBD器件直接向光信号的转换，光信号在纳电子电路之间的传播，光信号在另一端电路中通过BFBD器件向电信号的转换，进一步驱动相邻的碳纳米管电路。

需要解决的重要问题包括如何提高BFBD器件的发光和探测效率，BFBD器件所发红外光波段、带宽、强度和方向的控制，以及和光传导介质（例如1550nm单模光纤）的耦合，最终实现纳电子电路间的光互联。

（四）新现象及相关理论

碳纳米结构本质上是限域体系，电子-电子相互作用较一般三维体系要强许多。

对于碳纳米管和石墨烯这样特殊的结构，电子间的屏蔽进一步下降到了一个非常低的程度，使得激子效应远比其他半导体中重要得多，即使在室温下金属碳纳米管中激子效应也显著地影响着包括电子-空穴对的激发、弛豫和复合等碳纳米结构的重要光电特性。

探索这些碳纳米结构中奇异的电子、光电子特性，进一步控制这些特性，并把它们应用到新型的电子和光电子器件中也是本项目的一个重要研究内容。

这些新现象和新器件探索必然需要相关的理论工作的支撑。

本项目虽然不特别设置理论课题组，但每一个课题，特别是第一、二、四课题组都有理论背景非常强的骨干做支撑，直接为探索新原理器件服务。