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近日，中國科學(xué)院微電子研究所抗輻照實(shí)驗(yàn)室李博研究員、陸芃副研究員團(tuán)隊(duì)在三維互補(bǔ)式場效應(yīng)晶體管（3D CMOS）技術(shù)領(lǐng)域取得重大突破。研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出碳納米管/硅異質(zhì)集成（CNT/Si Heterogeneous Integration）技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)180nm SOI器件后道低溫（≤150℃）碳納米管器件集成，為突破傳統(tǒng)硅基3D CMOS技術(shù)熱預(yù)算高、工藝復(fù)雜等瓶頸提供了全新解決方案。相關(guān)成果發(fā)表于國際權(quán)威期刊《Advanced Functional Materials》，并獲國內(nèi)外學(xué)術(shù)界高度關(guān)注。 技術(shù)突破：低溫集成與電學(xué)特性精準(zhǔn)調(diào)控 傳統(tǒng)硅基3D CMOS技術(shù)因高溫工藝（通常>300℃）導(dǎo)致材料熱應(yīng)力、界面缺陷等問題，限制了器件性能與良率。研究團(tuán)隊(duì)基于碳納米管材料優(yōu)異的低溫成膜能力，開發(fā)出“低溫?zé)犷A(yù)算構(gòu)建”工藝，在150℃以下完成碳納米管p型場效應(yīng)晶體管（p-FET）與硅基n型場效應(yīng)晶體管（n-FET）的垂直堆疊集成。通過優(yōu)化界面接觸、摻雜濃度及柵極結(jié)構(gòu)，團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了N、P型晶體管閾值電壓的精準(zhǔn)匹配，顯著提升了3D CMOS電路的噪聲容限（NMH/NML=0.404/0.353×VDD），同時(shí)達(dá)成高增益（~49.9）、超低功耗（390 pW）及高均一性（片間差異<6%）等關(guān)鍵性能指標(biāo)。 
碳硅CMOS FET器件電學(xué)性能表現(xiàn) 仿真驗(yàn)證：14nm節(jié)點(diǎn)性能優(yōu)勢顯著 為驗(yàn)證該技術(shù)在先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)中的潛力，研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合南京大學(xué)、安徽大學(xué)團(tuán)隊(duì)，利用TCAD仿真工具搭建了14nm FinFET/CNT 3D CMOS電路單元。理論分析表明，相較于商用14nm FinFET工藝，碳硅異質(zhì)集成器件在噪聲容限、功耗及信號(hào)完整性方面均展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。這一成果為未來高性能計(jì)算、低功耗物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域的芯片設(shè)計(jì)提供了新范式。 應(yīng)用前景：后摩爾時(shí)代芯片技術(shù)的重要方向 隨著集成電路工藝節(jié)點(diǎn)逼近物理極限，三維異質(zhì)集成技術(shù)被視為延續(xù)摩爾定律的關(guān)鍵路徑。中科院微電子所此次突破不僅解決了傳統(tǒng)3D CMOS技術(shù)中熱預(yù)算高、工藝復(fù)雜等難題，更通過碳納米管與硅基材料的優(yōu)勢互補(bǔ)，為高性能數(shù)字電路、存算一體芯片及神經(jīng)形態(tài)計(jì)算硬件的研發(fā)開辟了新方向。研究團(tuán)隊(duì)表示，下一步將聚焦14nm及以下節(jié)點(diǎn)的工藝優(yōu)化與可靠性驗(yàn)證，推動(dòng)該技術(shù)向產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用邁進(jìn)。 多學(xué)科協(xié)同創(chuàng)新 推動(dòng)技術(shù)落地 該研究由中科院微電子所牽頭，聯(lián)合南京大學(xué)朱馬光研究員團(tuán)隊(duì)、安徽大學(xué)胡海波教授團(tuán)隊(duì)共同完成。研究過程中，團(tuán)隊(duì)融合了微電子器件物理、材料科學(xué)與先進(jìn)制造工藝等多學(xué)科優(yōu)勢，攻克了低溫集成中的界面工程、熱應(yīng)力控制等核心難題。論文通訊作者李博研究員指出：“碳硅異質(zhì)集成技術(shù)為后摩爾時(shí)代芯片性能提升提供了新思路，未來將進(jìn)一步探索其在量子計(jì)算、光子集成等前沿領(lǐng)域的應(yīng)用潛力�！� 論文信息 論文標(biāo)題：Low-Thermal-Budget Construction of Carbon Nanotube p-FET on Silicon n-FET toward 3D CMOS FET Circuits with High Noise Margins and Ultra-Low Power Consumption 期刊：Advanced Functional Materials DOI：10.1002/adfm.202504068 |
