下一代的晶體管候選，不是硅！

半導(dǎo)體碳納米管是具有納米級(jí)直徑的穩(wěn)健分子，可用于場(chǎng)效應(yīng)晶體管，從更大的薄膜實(shí)現(xiàn)到與硅電子設(shè)備協(xié)同工作的設(shè)備，并可能被用作高性能數(shù)字電子設(shè)備以及射頻和傳感應(yīng)用的平臺(tái)。簡(jiǎn)要綜述了碳納米管晶體管的材料、器件和技術(shù)的最新進(jìn)展。重點(diǎn)介紹了從單納米管器件發(fā)展到排列納米管甚至納米管薄膜的最廣泛的影響進(jìn)展。還有一些障礙需要解決，包括材料合成和加工控制、器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和傳輸考慮，以及進(jìn)一步的集成演示，提高了再現(xiàn)性和可靠性；然而目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了10000多個(gè)器件在單個(gè)功能芯片上的集成。

晶體管是一種電子開(kāi)關(guān)器件，它能夠基于其開(kāi)(二進(jìn)制1)和關(guān)(二進(jìn)制0)操作進(jìn)行數(shù)字計(jì)算。在集成電路的早期，人們很清楚，減小晶體管的尺寸將推動(dòng)更好的芯片級(jí)性能，這就是現(xiàn)在所知的摩爾定律。半導(dǎo)體溝道長(zhǎng)度是這種縮放的一個(gè)最重要的維度，它是電流流動(dòng)的距離，或由柵極電場(chǎng)控制的接通和關(guān)斷設(shè)備的距離。盡管最初的溝道長(zhǎng)度是許多微米大小，但將半導(dǎo)體通道擴(kuò)展到分子尺寸的極限(納米的幾分之一)的建議可以追溯到20世紀(jì)70年代中期。數(shù)十年來(lái)對(duì)通過(guò)共軛有機(jī)分子（被認(rèn)為是取代硅溝道）的電子轉(zhuǎn)移的研究突出了這種分子晶體管的幾個(gè)重要挑戰(zhàn)。最重要的問(wèn)題包括低穩(wěn)定性和有效門控的困難，以及與分子形成可靠的電接觸。

要達(dá)到或超過(guò)硅電子的性能，很明顯，新的通道材料必須具有類似的穩(wěn)定性。在分子選擇中，半導(dǎo)體單壁碳納米管(CNT)有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。嵌套的多壁碳納米管在室溫下是有效的金屬，因此作為晶體管通道的用途有限。在本綜述中，CNT將意味著單壁碳納米管。半導(dǎo)體碳納米管由直徑約1納米的六角形排列碳的圓柱殼組成。電子只向前或向后移動(dòng)，波函數(shù)纏繞在納米管周圍，形成具有幾百毫電子伏能帶的一維(1D)半導(dǎo)體。這些材料在空氣中是穩(wěn)定的，可以通過(guò)半導(dǎo)體工業(yè)中常用的各種加工方法來(lái)操縱。通過(guò)在金屬電極上覆蓋半導(dǎo)體碳納米管的場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)的早期演示導(dǎo)致了持續(xù)的研究活動(dòng)，其目標(biāo)是通過(guò)類似于制造硅電子產(chǎn)品的處理步驟，制造可再現(xiàn)的、可擴(kuò)展的和集成到密集電路中的高性能器件。

對(duì)碳納米管半導(dǎo)體的廣泛興趣也激發(fā)了對(duì)其他納米材料的強(qiáng)烈和持續(xù)的探索，包括半導(dǎo)體納米線、2D石墨烯、過(guò)渡金屬二鹵代化合物和氙。盡管納米材料的選擇越來(lái)越多，但碳納米管在穩(wěn)定性、帶隙以及其他候選材料無(wú)法媲美的優(yōu)異電和熱性能方面脫穎而出。在這里，我們回顧了碳納米管晶體管的最新材料、器件和技術(shù)進(jìn)展，確立了這一分子晶體管的實(shí)質(zhì)性前景和剩余的挑戰(zhàn)。該領(lǐng)域的進(jìn)展將與碳納米管晶體管最重要的潛在應(yīng)用有關(guān)，如圖1所示。兩個(gè)最突出的潛在應(yīng)用是高性能(HP)計(jì)算芯片和用于顯示背板和物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的薄膜晶體管(TFTs);表1總結(jié)了這些應(yīng)用程序的一些目標(biāo)性能指標(biāo)。

成本和復(fù)雜性

圖1所示：碳納米管晶體管的廣泛潛在應(yīng)用。說(shuō)明了碳納米管晶體管的一些最重要的潛在應(yīng)用的設(shè)備性能與成本和復(fù)雜性。應(yīng)用范圍從微型薄膜器件(如印刷電子、生物傳感器)到三維集成BEOL器件(如集成到硅CMOS上的異質(zhì)3D層)和規(guī)模高性能(HP) FET[如低壓超大規(guī)模集成(VLSI)]，其性能的提高與集成成本和復(fù)雜性的增加相對(duì)應(yīng)。Lch，通道長(zhǎng)度。

表1：兩個(gè)突出的碳納米管晶體管應(yīng)用的幾個(gè)目標(biāo)指標(biāo)。值是基于實(shí)現(xiàn)最佳性能的近似值。值得注意的是，盡管其中一些目標(biāo)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，但最重要的挑戰(zhàn)之一是同時(shí)實(shí)現(xiàn)它們(例如，高通電電流與低閾值下擺動(dòng)，這是一個(gè)衡量調(diào)制電流需要多少柵電壓的指標(biāo))。高性能FET用于服務(wù)器的中央處理單元(CPU)等應(yīng)用，TFTs是用于顯示器背板電子器件的薄膜晶體管。

利用碳納米管半導(dǎo)體的優(yōu)勢(shì)需要克服若干材料科學(xué)障礙。正如硅必須經(jīng)過(guò)純化和摻雜才能成為有用的通道材料一樣，合成的碳納米管既可以是金屬性的，也可以是半導(dǎo)體的，而且必須提純?yōu)榘雽?dǎo)體，僅用于晶體管中。碳納米管是金屬的還是半導(dǎo)體的取決于六邊形晶格如何包裹成管。這種結(jié)構(gòu)最容易觀察到的方法是將原子薄石墨烯的sp²鍵合六方碳晶格的矩形部分軋制成一維圓柱體，其直徑約為1納米，長(zhǎng)度為10²至10⁸納米。定義矩形截面相對(duì)于石墨烯晶格寬度的向量通常被稱為手性矢量，最終決定了碳納米管的直徑、螺旋度和導(dǎo)電性。

除了規(guī)定碳納米管的物理結(jié)構(gòu)外，手性矢量還對(duì)電子帶結(jié)構(gòu)施加了明確的量子力學(xué)邊界條件，這意味著對(duì)于隨機(jī)管閉合，約33%的碳納米管手性是金屬性的，約67%是半導(dǎo)體的。此外，在半導(dǎo)體手性中，帶隙與碳納米管直徑近似成反比。由于碳納米管晶體管需要半導(dǎo)體溝道，最好具有定義良好且一致的帶隙，因此能夠通過(guò)原子精確的手性矢量控制可伸縮地合成和分離碳納米管是高性能碳納米管集成電路的最終目標(biāo)。

碳納米管的合成方法是將含碳的原料與金屬催化劑(通常是鐵或鎳)引入生長(zhǎng)室，在生長(zhǎng)室中通過(guò)熱、光或等離子體激發(fā)添加能量。由于碳納米管生長(zhǎng)通常發(fā)生在這些催化劑經(jīng)歷大量重組的溫度下，因此很難控制手性矢量，并且產(chǎn)生了一系列碳納米管直徑和兩種電子類型;為了控制碳納米管的手性，已經(jīng)花費(fèi)了大量的努力。這些方法包括使用尺寸和形狀明確的W-Co合金等難熔催化劑顆粒，這些顆粒在生長(zhǎng)溫度下保持結(jié)構(gòu)不變，因此可以驅(qū)動(dòng)靶向碳納米管手性的可預(yù)測(cè)成核(圖2A)，添加結(jié)構(gòu)與靶向碳納米管手性密切匹配的分子晶種，或在“碳納米管克隆”中將碳納米管本身作為晶種展開(kāi)。雖然定制的催化劑或晶種有助于控制合成結(jié)果，但許多其他生長(zhǎng)參數(shù)也起著作用，包括溫度、壓力、流速和應(yīng)用電場(chǎng)——因此生長(zhǎng)優(yōu)化需要搜索廣泛的參數(shù)空間。為了加速這一探索，使用閉環(huán)迭代實(shí)驗(yàn)的自主生長(zhǎng)有望快速確定合成條件，使碳納米管結(jié)構(gòu)多分散性最小。

由于最優(yōu)化的碳納米管生長(zhǎng)程序?qū)τ诰A級(jí)晶體管應(yīng)用仍然缺乏足夠的單分散性，因此需要采用合成后分離方法按直徑、手性和電子類型對(duì)生長(zhǎng)的碳納米管進(jìn)行分類。幸運(yùn)的是，碳納米管的大小和形狀可與生物大分子相媲美，這使得許多碳納米管分離方法可以從已經(jīng)開(kāi)發(fā)的生物化學(xué)分離方法中加以改進(jìn)。在密度梯度超離心(DGU)中，碳納米管首先被分散并被表面活性劑的混合物包裹，這些表面活性劑對(duì)不同碳納米管分離目標(biāo)(包括手性矢量、手性手性、電子類型和直徑)具有選擇性，然后在水密度梯度中被浮力密度分離。盡管DGU具有足夠的可擴(kuò)展性，在商業(yè)上是可行的，但生物化學(xué)的其他策略也得到了大力發(fā)展，包括凝膠色譜和介電電泳。后一種方法還有額外的好處，即可以在預(yù)繪圖案的電極之間對(duì)齊組裝CNTs。

來(lái)自聚合物化學(xué)的方法也被用于分離碳納米管，包括雙水相萃取和用包裹納米管的結(jié)構(gòu)鑒別聚合物選擇性分散靶向碳納米管手性(圖2B)。在所有情況下，半導(dǎo)體碳納米管的純度已達(dá)到光學(xué)光譜表征的可檢測(cè)極限(~99.9%)，并開(kāi)始為許多碳納米管晶體管應(yīng)用提供足夠的單分散性。高性能數(shù)字晶體管的最終目標(biāo)是達(dá)到99.9999%純半導(dǎo)體碳納米管(見(jiàn)表1)——純度越高，相應(yīng)的性能越好。此外，在碳納米管沉積后，理想情況下應(yīng)該完全去除任何分子包裝物(如表面活性劑或聚合物)，因?yàn)檫@將產(chǎn)生有害的殘留物，會(huì)妨礙碳納米管晶體管中的電接觸、門控效率和傳輸。

晶體管還需要電觸點(diǎn)、摻雜和電介質(zhì)。由于來(lái)自常用金屬(如Au、Pd)的接觸往往在碳納米管價(jià)帶附近產(chǎn)生費(fèi)米能級(jí)排列，因此從孔注入產(chǎn)生的p型行為很容易在碳納米管晶體管中實(shí)現(xiàn)。然而，數(shù)字電路中p型和n型晶體管的互補(bǔ)要求意味著需要受控的n型注入和/或摻雜。

提供電子的吸附劑，如有機(jī)銠化合物，與原子層沉積的封裝層相結(jié)合，可以制備高度穩(wěn)定的n型碳納米管晶體管(圖2C)?；诮饘俟瘮?shù)的電荷選擇觸點(diǎn)，如p型注入的Pd和n型注入的Sc，也使互補(bǔ)的CNT晶體管成為可能。除了金屬選擇之外，界面材料的考慮和整體接觸結(jié)構(gòu)也發(fā)揮了作用(參見(jiàn)圖2D使用Mo的端結(jié)合接觸結(jié)構(gòu)示例)。金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管(MOSFET)的擴(kuò)展區(qū)，在源或漏極和柵控半導(dǎo)體溝道之間，需要穩(wěn)定的摻雜，并有良好控制的摻雜水平，為串聯(lián)電阻和寄生電容之間的折衷進(jìn)行優(yōu)化——這一壯舉尚未在碳納米管晶體管中可靠地完成。對(duì)于柵極介質(zhì)層，Y2O3等特定材料在氧化沉積的釔后，在CNTs上具有高介電常數(shù)κ和保形介質(zhì)涂層，表現(xiàn)出近乎理想的性能。更傳統(tǒng)的方法是使用Al3O3和HfO2雙層介質(zhì)的原子層沉積，使晶體管具有10納米的柵極長(zhǎng)度，柵極泄漏電流與最先進(jìn)的Si晶體管相當(dāng)。在集成所有這些優(yōu)化的材料后，碳納米管晶體管已被證明超過(guò)現(xiàn)有的硅集成電路技術(shù)的性能，這將在后續(xù)章節(jié)中討論。

圖2.：用于高性能CNT晶體管的材料的實(shí)例包括合成的CNT、純化的CNT混合物、摻雜策略和接觸金屬。

(A)使用難熔W-Co納米晶催化劑的目標(biāo)手性的模板化碳納米管生長(zhǎng)。CVD，化學(xué)氣相沉積;SWNT，單壁納米管。

(B)通過(guò)吸收光譜驗(yàn)證，選擇性聚合物分散能夠從生長(zhǎng)的多分散混合物中可伸縮分離出目標(biāo)碳納米管手性，如圖左所示;右邊顯示的是經(jīng)過(guò)分類的碳納米管的合成瓶的照片。E11和E22為吸收峰;SFM，剪切力混合。

(C) 用原子層沉積氧化鋁封裝的給電子有機(jī)銠化合物，可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的n型CNT晶體管。黑色是CNT層，橙色是摻雜劑層，紅色是用于電介質(zhì)生長(zhǎng)的籽晶層。

(D)當(dāng)反應(yīng)形成端結(jié)碳化物時(shí)，鉬與碳納米管晶體管的接觸長(zhǎng)度(Lc)可縮小到10納米以下尺寸，同時(shí)保持有效的電荷注入。

碳納米管晶體管研究的最初重點(diǎn)是使用單個(gè)碳納米管作為通道(見(jiàn)圖3、a和B)和演示彈道傳輸和數(shù)字電路的可操作性。雖然具有單個(gè)納米管通道的器件仍然是傳感應(yīng)用的興趣所在，但基于對(duì)比單個(gè)納米管提供的更高電流流量的需求，它們不再被認(rèn)為適合數(shù)字或射頻(RF)電子設(shè)備。盡管碳納米管的載流能力是驚人的[~10⁹ A cm⁻²]，但它們的直徑只有約1納米，每碳納米管僅產(chǎn)生約10毫安電流。因此，最近的工作主要集中在通道中有多個(gè)CNTs。

理想情況下，晶體管通道中的碳納米管將完美地排列在一個(gè)平行陣列中，其間距控制在2-5nm，類似于現(xiàn)代晶體管技術(shù)(finfet)中硅鰭的排列方式。實(shí)現(xiàn)這樣的陣列仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。如果碳納米管過(guò)于緊密(或捆綁)，就會(huì)產(chǎn)生串?dāng)_(電場(chǎng)屏蔽)和有效的門控問(wèn)題。如果碳納米管相距太遠(yuǎn)，則電流密度(每晶體管寬度的電流)將不足。對(duì)于具有高密度碳納米管晶體管的數(shù)字系統(tǒng)，碳納米管之間間距的變化也會(huì)有害地影響總體能量、延遲和噪聲容限。

最近的進(jìn)展令人鼓舞，包括使用DNA定向組裝控制碳納米管間距為10納米的小規(guī)模演示。也有晶圓規(guī)模的高吞吐量策略，使用各種形式的溶液相組裝(也稱為尺寸有限的自對(duì)齊或液晶界面組裝)，在一份報(bào)告中實(shí)現(xiàn)了20納米的間距(圖3，C和D)，在另一份報(bào)告中實(shí)現(xiàn)了5到10納米的間距。這兩項(xiàng)研究的主要區(qū)別在于用于包裹CNTs的聚合物和將CNTs沉積到基板陣列的固相技術(shù)。盡管如此，這些方法仍然需要進(jìn)一步的工作，以消除解決階段加工過(guò)程中不必要的殘留物，并在均勻間距的所有方向上更一致、更有控制的對(duì)齊(不捆綁)。

由于難以實(shí)現(xiàn)具有可控間距的對(duì)齊陣列，一些研究人員使用了未對(duì)齊的碳納米管網(wǎng)絡(luò)或薄膜(圖3，E到H)。盡管這些未對(duì)齊的薄膜不利于載流子傳輸，也不利于接觸和門控納米管，但未對(duì)齊的碳納米管網(wǎng)絡(luò)在納米級(jí)晶體管中實(shí)現(xiàn)了高性能。

此外，碳納米管薄膜可以通過(guò)使用印刷技術(shù)沉積，包括滾輪和直寫(xiě)方法(圖3H)，這使得它們對(duì)TFT具有吸引力。這些較大的TFT(約幾十微米)的應(yīng)用空間與高性能納米FET不同，包括傳感器、柔性電子、物聯(lián)網(wǎng)和顯示背板。對(duì)于TFT的應(yīng)用，CNT薄膜與現(xiàn)有的半導(dǎo)體選擇，如有機(jī)物和聚合物、金屬氧化物和低溫多晶硅(LTPS)，競(jìng)爭(zhēng)很好。

當(dāng)碳納米管薄膜用于具有納米級(jí)通道長(zhǎng)度(<100 nm)的FET時(shí)，大多數(shù)納米管橋接整個(gè)通道，即使它們沒(méi)有完全對(duì)齊(圖3F)。在TFTs的微尺度長(zhǎng)度中，薄膜溝道中的納米管不足以橫穿溝道，而是作為滲透網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行，其中電子在從源到漏的運(yùn)輸過(guò)程中從碳納米管到碳納米管(圖3G)。與長(zhǎng)期研究的有機(jī)半導(dǎo)體TFTs相比，CNT-TFTs具有更高的遷移率(10-100cm²V⁻¹s⁻¹)和在偏壓下、空氣中或兩者中的穩(wěn)定性。

除了納米管在通道中的密度和排列，碳納米管晶體管的柵極結(jié)構(gòu)在許多方面都有進(jìn)步。對(duì)于納米級(jí)FET，主要目標(biāo)是最大化溝道中碳納米管能量帶的柵極控制，這是通過(guò)強(qiáng)門耦合實(shí)現(xiàn)的，通常表示為小尺度長(zhǎng)度λ。尺度長(zhǎng)度取決于柵極幾何形狀以及柵極介電介質(zhì)和半導(dǎo)體通道的厚度和介電常數(shù)。一個(gè)普遍接受的近似是，通道長(zhǎng)度大于3λ將確保有害的短通道效應(yīng)被避免。

由于其固有的小尺寸，CNTs為大規(guī)模擴(kuò)展的設(shè)備提供了優(yōu)勢(shì)。盡管對(duì)于場(chǎng)效應(yīng)管來(lái)說(shuō)，擁有一個(gè)柵極-全幾何形狀來(lái)最小化λ是理想的，并且已經(jīng)報(bào)道了碳納米管柵極結(jié)構(gòu)的演示，但研究表明，無(wú)論是底部柵極還是頂部柵極幾何形狀，都可以獲得遠(yuǎn)小于10 nm(短至5 nm)的溝道長(zhǎng)度。雖然柵極的幾何形狀對(duì)于TFTs是不同的，但它不是很關(guān)鍵，主要受柵極介質(zhì)材料和應(yīng)用需求的限制。

對(duì)于覆蓋面積小的高比例碳納米管晶體管，不僅溝道長(zhǎng)度需要在納米級(jí)，而且源極和漏極觸點(diǎn)也需要具有最小尺寸，同時(shí)仍然需要提供有效的歐姆電荷注入。鈀觸點(diǎn)在10nm接觸長(zhǎng)度下達(dá)到了每碳納米管6.5 khm的量子極限，在p型側(cè)觸點(diǎn)中，金屬位于碳納米管頂部，沒(méi)有任何化學(xué)鍵合，盡管這需要以更高的產(chǎn)量和再現(xiàn)性來(lái)實(shí)現(xiàn)。另外，邊緣接觸結(jié)構(gòu)將提供理想的可擴(kuò)展性，并已通過(guò)與碳納米管反應(yīng)生成接觸長(zhǎng)度低于10納米的碳化物端鍵接觸進(jìn)行了驗(yàn)證(圖2D)。無(wú)論其幾何形狀如何，與碳納米管的接觸是決定整體性能的主要因素，必須進(jìn)一步改進(jìn)材料、結(jié)構(gòu)和加工的組合，以產(chǎn)生高一致性和低電阻的p型和n型載流子注入的接觸。

盡管許多應(yīng)用可以從碳納米管的特性中受益，但數(shù)字邏輯應(yīng)用受到了最大的關(guān)注(圖4)，因?yàn)樗鼈冇袧摿υ谛阅芎湍茉葱噬铣浆F(xiàn)有的Si技術(shù)。這種典型的高性能器件來(lái)自碳納米管的對(duì)齊陣列，可以在相對(duì)較低的電壓下實(shí)現(xiàn)高的通態(tài)電流(圖4，A到C)。如圖4D所示，在2納米技術(shù)節(jié)點(diǎn)(EDP，或開(kāi)關(guān)能量)，與Si納米片相比，摻雜擴(kuò)展和多層高密度碳納米管的門全能碳納米管晶體管預(yù)計(jì)將顯示多達(dá)7倍的能量延遲積(EDP)效益，是一個(gè)開(kāi)-關(guān)循環(huán)的時(shí)間和功耗的乘積，也是能源效率的衡量標(biāo)準(zhǔn))。正如前面所提到的，由于其超薄的結(jié)構(gòu)(約1nm)，碳納米管晶體管即使在柵極長(zhǎng)度上也能提供出色的靜電控制，僅受直接源-漏隧道的限制。寄生電容是影響速度和能量效率的關(guān)鍵因素，占現(xiàn)代硅晶體管總電容的70%。由于其超薄的結(jié)構(gòu)，碳納米管晶體管具有非常低的寄生門源或門漏電容。CNTs的這兩個(gè)關(guān)鍵屬性，以及高傳輸和注入速度，是高性能、節(jié)能數(shù)字邏輯的物理基礎(chǔ)。

圖4：數(shù)字邏輯應(yīng)用的高性能碳納米管晶體管

(A和B)每微米約150 CNTs對(duì)齊陣列制備的CNT晶體管的亞閾值(A)和輸出特性(B)，可實(shí)現(xiàn)>1 mA μm⁻¹的通態(tài)電流。Ids，漏電流；Vds，漏源電壓；Vgs，柵源電壓。

(C)具有兩個(gè)堆疊通道的硅納米片晶體管和碳納米管對(duì)齊陣列晶體管的器件原理圖。

(D)逆變環(huán)振蕩器的2納米技術(shù)節(jié)點(diǎn)上Si納米片和CNT晶體管的投影能量與頻率帕累托曲線。

如前所述，碳納米管晶體管技術(shù)的許多基本構(gòu)建模塊已經(jīng)被展示過(guò)。在電路或系統(tǒng)級(jí)別，一個(gè)全功能靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(SRAM)陣列，一個(gè)單片3D成像儀，和一個(gè)16位RISC-V(其中RISC被簡(jiǎn)化為指令集計(jì)算機(jī))處理器> 14000個(gè)晶體管(圖5B)完全由CNT晶體管制造。此外，利用200毫米晶圓加工技術(shù)(圖5A)已在代工廠中演示了碳納米管晶體管的晶圓規(guī)模制造。使用與商業(yè)半導(dǎo)體技術(shù)相同的工具和基礎(chǔ)設(shè)施制造和設(shè)計(jì)碳納米管晶體管有助于降低碳納米管器件大規(guī)模生產(chǎn)的門檻。

圖5：碳納米管晶體管的晶圓規(guī)模和三維集成。

(A)在商業(yè)硅代工廠加工的帶有碳納米管晶體管的200毫米硅晶圓。左下角顯示了晶圓中單個(gè)模具或芯片的圖像，右下角顯示了碳納米管晶體管結(jié)構(gòu)的示意圖。D,漏極;G,柵極;K，相對(duì)介電常數(shù);S,來(lái)源。

(B)用CMOS碳納米管晶體管(RV16X-NANO)實(shí)現(xiàn)的RISC-V處理器的光學(xué)圖像，包括顯示碳納米管電路(假顏色表示不同的金屬層)和單個(gè)碳納米管器件(碳納米管以黃色突出顯示)細(xì)節(jié)的高放大率圖像。

(從C到E)在硅邏輯之上集成CNT晶體管和RRAM存儲(chǔ)器層的3D N3XT芯片的圖像和示意圖(C);截面TEM圖像顯示底部Si邏輯層、RRAM存儲(chǔ)層和兩個(gè)CNT晶體管層[碳納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管(CNFET)、邏輯和傳感器](D);以及三維N3XT芯片(E)頂層CNT電路和器件的掃描電子顯微鏡圖像(比例尺，500納米)。

在單個(gè)器件水平上，最近的研究表明顯示了短?hào)艠O長(zhǎng)度（10nm）、對(duì)于單CNT晶體管具有接近理想亞閾值擺幅的互補(bǔ)p溝道和n溝道器件，以及對(duì)于具有每微米50個(gè)CNT的密度的對(duì)準(zhǔn)CNT具有每寬度的高導(dǎo)通狀態(tài)電流。在不久的將來(lái)，它將有可能在單個(gè)設(shè)備演示中集成以下元素（已單獨(dú)顯示）：gate-all-around幾何結(jié)構(gòu)，> 250納米/微米在高度一致的數(shù)組，3nm氧化物電介質(zhì)(目標(biāo)氧化物電容=2.94×10⁻¹⁰ F m⁻¹)，sub-10-nm p型接觸電阻為6.5每千歐姆，sub-10-nm門長(zhǎng)度，多個(gè)堆疊問(wèn)通道層，和摻雜源或排水?dāng)U展。這種類似于mosfet的碳納米管結(jié)構(gòu)具有35納米接觸柵間距和20納米有源寬度，預(yù)計(jì)其性能將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)2納米節(jié)點(diǎn)邏輯技術(shù)的Si晶體管。

未來(lái)的半導(dǎo)體芯片將超越二維器件的小型化，取而代之的將是三維層的有源器件。由于三維邏輯器件層必須很薄，并且在與后端線(BEOL)布線層(通常<400°C)兼容的溫度下制造，CNT晶體管特別適合3D集成，因?yàn)槠骷圃鞙囟鹊停骷颖?。從大約十年前首次展示全碳納米管晶體管計(jì)算機(jī)開(kāi)始，不僅在集成水平上取得了進(jìn)展，而且在設(shè)備多樣性，以及從大學(xué)實(shí)驗(yàn)室到工業(yè)技術(shù)的成熟上都取得了進(jìn)展。

由硅晶體管層、碳納米管晶體管存儲(chǔ)器讀出電路層、電阻開(kāi)關(guān)金屬氧化物隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RRAM)層和頂部的碳納米管晶體管傳感器層組成的四層單片集成芯片說(shuō)明了單片集成的好處(圖5,C至E)。

這種3D芯片可以以每秒tb的速度并行處理從傳感器到存儲(chǔ)單元再到晶體管的信息。另一個(gè)例子是端到端大腦啟發(fā)的超維計(jì)算納米系統(tǒng)，它對(duì)語(yǔ)言識(shí)別等認(rèn)知任務(wù)非常有效，它是通過(guò)CNT晶體管和RRAM的單片3D集成實(shí)現(xiàn)的，使用BEOL層間通孔實(shí)現(xiàn)計(jì)算層和存儲(chǔ)層之間的細(xì)粒度和密集的垂直連接。碳納米管晶體管制造過(guò)程不僅顯示在完整的200毫米晶圓上，而且還具有與RRAM的3D集成。

盡管數(shù)字電子器件仍然是該領(lǐng)域的主要焦點(diǎn)，CNT晶體管也為高頻射頻晶體管帶來(lái)了很大的前景。數(shù)字碳納米管晶體管的許多材料和器件需求也適用于射頻電子，對(duì)半導(dǎo)體純度的需求有所放寬，對(duì)高跨導(dǎo)和線性的需求有所增強(qiáng)，這在放大信號(hào)時(shí)轉(zhuǎn)化為低失真。由納米管排列陣列制成的射頻碳納米管晶體管的最新進(jìn)展表明，該晶體管能夠在高達(dá)數(shù)百千兆赫的頻率下工作，具有極具吸引力的低功耗和高通用性，可集成于片上系統(tǒng)應(yīng)用中。

半導(dǎo)體碳納米管溶液相分散的凈化能力也使印刷成為薄膜器件(圖2H)。許多報(bào)告表明，完全打印的CNT-TFTs可用于數(shù)字邏輯電路，以說(shuō)明這些設(shè)備提供計(jì)算功能的能力。然而，考慮到傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)硅晶體管技術(shù)的低成本，印刷的CNT-TFT電路將被廣泛使用的可能性很低。更令人鼓舞的是將印刷的CNT-TFT用于顯示器的背板控制或用于定制的生物傳感系統(tǒng)。最近的研究還揭示了碳納米管薄膜的可回收性，這顯示了實(shí)現(xiàn)完全打印的紙質(zhì)電子系統(tǒng)的希望，在該系統(tǒng)中，所有核心材料都能被回收和重用。

預(yù)計(jì)材料方面的進(jìn)展將是碳納米管晶體管未來(lái)進(jìn)展的核心。提高半導(dǎo)體碳納米管的純度對(duì)于所有設(shè)備使用情況都至關(guān)重要。在這方面，將金屬碳納米管雜質(zhì)降低到百萬(wàn)分之一或十億分之一濃度的最大障礙之一是缺乏用于檢測(cè)超低濃度金屬碳納米管的高通量分析方法。對(duì)于碳納米管，大多數(shù)高通量光學(xué)檢測(cè)方法(如光致發(fā)光光譜法)對(duì)金屬種類不太靈敏，如果不是完全不靈敏的話。事實(shí)上，唯一確定的量化超低濃度金屬碳納米管的方法是制造大量的單個(gè)碳納米管晶體管陣列，然后逐個(gè)電探測(cè)它們以尋找短路。這種方法非常耗時(shí)，而且隨著半導(dǎo)體純度的提高只會(huì)變得更糟。因此，大多數(shù)碳納米管分離方法只優(yōu)化到光學(xué)光譜的檢測(cè)限(99.9%)。

半導(dǎo)體碳納米管的另一個(gè)尚未解決的問(wèn)題是，需要一種可擴(kuò)展和可持續(xù)的制造方法來(lái)生產(chǎn)足夠數(shù)量的超高純度半導(dǎo)體碳納米管，以滿足潛在的巨大市場(chǎng)，不僅包括高性能集成電路，還包括大容量印刷電子產(chǎn)品。大多數(shù)基于溶液的分離方法在可伸縮性方面沒(méi)有基本障礙，但這些過(guò)程的產(chǎn)量最終受到輸入原料的質(zhì)量的限制。為了提高下游分離的收率，需要改進(jìn)合成工藝，使雜質(zhì)最小化并使納米管直徑分布狹窄的半導(dǎo)體純度最大化。一個(gè)誘人的選擇是將克隆技術(shù)改進(jìn)到可以以類似于生物化學(xué)中的聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)的方式實(shí)現(xiàn)迭代分離和擴(kuò)增的程度。

最終，生長(zhǎng)條件包含了如此巨大的參數(shù)空間，因此需要有效搜索和識(shí)別最佳生長(zhǎng)條件的方法。新興的人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)優(yōu)化方法與高通量實(shí)驗(yàn)篩選相結(jié)合，為下一代集成工作帶來(lái)了希望。類似地，在碳納米管晶體管中發(fā)現(xiàn)、優(yōu)化和集成許多其他材料(包括摻雜劑、觸點(diǎn)、柵電極和介質(zhì))也可以通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)加上高通量的實(shí)驗(yàn)篩選來(lái)加速。

盡管關(guān)于建立到碳納米管的接口(包括柵極結(jié)構(gòu)和觸點(diǎn))已經(jīng)了解了很多，但挑戰(zhàn)仍然存在。材料的選擇和純化(前面討論過(guò))，制造方法和摻雜控制的作用繼續(xù)在大量的報(bào)告中闡明。事實(shí)上，前進(jìn)中最重要的挑戰(zhàn)之一是確定(在報(bào)告的數(shù)千種材料和工藝中)哪種組合最適合使用。還需要更多系統(tǒng)的研究來(lái)探索某些接觸和蓋層材料配置對(duì)器件性能、良率、再現(xiàn)性和穩(wěn)定性的影響。例如，碳納米管通道在各種配置中可擴(kuò)展到10納米以下的長(zhǎng)度，但尚不清楚哪種器件結(jié)構(gòu)更優(yōu)越(例如，頂柵與全柵、側(cè)接觸與邊緣接觸)，以及性能最佳的選項(xiàng)是否也具有與互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)工廠的相關(guān)制造兼容的制造工藝。大多數(shù)與金屬接觸的形成過(guò)程依賴于抬升過(guò)程，這被認(rèn)為是一個(gè)不可擴(kuò)展的過(guò)程，而無(wú)抬升的替代方案也往往依賴于緩慢的模式化過(guò)程。

接觸長(zhǎng)度的可伸縮性需要進(jìn)一步考慮，這是一個(gè)與晶體管整體縮放柵極長(zhǎng)度同等重要的參數(shù)。一些研究顯示，在30納米以下接觸長(zhǎng)度處降解嚴(yán)重，而另一些研究顯示，在相應(yīng)長(zhǎng)度處降解較輕，但尚未實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)率。這種接觸長(zhǎng)度縮放的挑戰(zhàn)對(duì)于所有晶體管都是常見(jiàn)的，但發(fā)現(xiàn)一種解決方案，允許大幅度縮放接觸而不降低設(shè)備將是一個(gè)關(guān)鍵的進(jìn)步。端部粘合或邊緣接觸提供了一種這種可能性，盡管需要進(jìn)一步的工作來(lái)降低加工溫度，并了解運(yùn)輸和性能限制。此外，實(shí)現(xiàn)同樣高質(zhì)量和可擴(kuò)展的接觸n型碳納米管晶體管仍有待解決。

對(duì)于來(lái)自碳納米管的TFT，從納米級(jí)場(chǎng)效應(yīng)管器件中獲得的許多知識(shí)是適用的。最重要的例外是TFT技術(shù)應(yīng)該理想地與大的襯底尺寸兼容，并具有非常低的成本。由于TFTs的主要應(yīng)用之一是在顯示背板上，材料和工藝應(yīng)可擴(kuò)展到大型面板。雖然設(shè)備級(jí)的性能和尺寸很重要，但TFTs放寬了限制，更強(qiáng)調(diào)制造成本，因?yàn)檫@些設(shè)備將用于商品應(yīng)用(如背板)或一次性應(yīng)用(如物聯(lián)網(wǎng))。最近在紙襯底上的可回收印刷碳納米管- TFTs的演示提出了可持續(xù)的措施。提高碳納米管- TFT的產(chǎn)量和穩(wěn)定性至關(guān)重要，特別是管-管接觸在滲透網(wǎng)絡(luò)中的作用。

實(shí)現(xiàn)滿足大批量生產(chǎn)需求的碳納米管晶體管技術(shù)還有許多剩余的障礙，需要學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的一致努力來(lái)克服。關(guān)于半導(dǎo)體碳納米管純度，盡管最高純度仍然是EDP的理想純度，但邏輯設(shè)計(jì)技術(shù)可以用來(lái)將某些應(yīng)用的要求放寬約100倍(從99.9999到99.99%)，而不增加額外的處理步驟或冗余。

對(duì)于高性能數(shù)字系統(tǒng)，設(shè)備的變化在決定系統(tǒng)的總體EDP和噪聲裕度方面起著重要作用。碳納米管特有的變異來(lái)源包括碳納米管密度和節(jié)距(多碳納米管晶體管中碳納米管之間的距離)、碳納米管帶隙(由手性和直徑?jīng)Q定)以及對(duì)周圍隨機(jī)固定電荷的極端敏感性(這也是碳納米管是超靈敏傳感器的原因)。

邏輯技術(shù)的晶體管寬度(垂直于電流流動(dòng)方向)在20到40納米的量級(jí)上。當(dāng)碳納米管密度為每微米250 CNTs時(shí)，通道中只有5-10 CNTs;因此，碳納米管密度和碳納米管間距的變化將導(dǎo)致電流驅(qū)動(dòng)的實(shí)質(zhì)性變化。

作為技術(shù)開(kāi)發(fā)的共同設(shè)計(jì)過(guò)程的一部分，減少這種變化的設(shè)計(jì)解決方案是必不可少的。例如，碳納米管帶隙的變化通過(guò)閾值電壓和漏極的帶到帶隧穿直接轉(zhuǎn)化為脫態(tài)泄漏電流的變化。帶到帶隧穿泄漏隨帶隙呈指數(shù)變化，并設(shè)置了可實(shí)現(xiàn)的最小泄漏電流，這是通過(guò)調(diào)整閾值電壓來(lái)交換有態(tài)電流和無(wú)態(tài)泄漏電流的邊界。直接的源級(jí)到漏級(jí)隧道電流也以指數(shù)形式依賴于帶隙，并設(shè)置了柵長(zhǎng)縮放的限制。碳納米管直徑(帶隙)的選擇與其他FET面臨著相同的權(quán)衡。小帶隙CNTs具有較低的有效質(zhì)量和較高的通態(tài)電流，而大帶隙CNTs具有較低的隧穿脫態(tài)泄漏電流，并可進(jìn)一步縮小柵極長(zhǎng)度并在高速下保持較高的工作電壓。在給定目標(biāo)計(jì)算工作負(fù)載的情況下，最佳選擇必須依賴于應(yīng)用程序，并且必須進(jìn)行共同設(shè)計(jì)。

盡管碳納米管晶體管繼承了MOSFET的所有限制(靜電和傳輸物理)，并具有低維通道材料的所有挑戰(zhàn)(無(wú)懸浮鍵的接觸和表面)，但它也保留了FET的所有優(yōu)點(diǎn)，包括良好的電路或系統(tǒng)設(shè)計(jì)生態(tài)系統(tǒng)和成熟的制造技術(shù)，并具有進(jìn)一步的潛力，在增加設(shè)備數(shù)量和連接的芯片在三維集成。這些好處預(yù)計(jì)最終將超過(guò)所有的限制，因?yàn)樵谌齻€(gè)維度上的在位性和可伸縮性的力量不容小覷。在高性能數(shù)字邏輯具有3D集成潛力的機(jī)會(huì)和印刷甚至可回收薄膜電子的可能性之間，碳納米管晶體管值得學(xué)術(shù)界、政府和工業(yè)貢獻(xiàn)者重新甚至加倍努力。這些分子晶體管技術(shù)是觸手可及的，但前提是科學(xué)和工程團(tuán)體能夠克服剩下的挑戰(zhàn)。