高性能且可晶圆缩放的对准碳纳米管晶体管

 
随着我们进入5G无线世界，毫米波频段(即30至300 GHz)的通信将变得越来越重要，特别是对于高速无线数据传输应用而言。问题在于，在这些小波长下，在线信号强度会迅速降低，因此需要将电路高度集成到尽可能小的占位面积中。为了最好地实现这一点，高频晶体管技术需要与数字电子产品的主力技术兼容：互补金属氧化物半导体(CMOS)。
最近的研究表明，由排列的碳纳米管制成的晶体管在无线设备中的性能可能比常用的III-V半导体更好。这主要是由于其高度线性的信号放大以及与CMOS电路的更好兼容性。
考虑到这一点，总部位于洛杉矶的半导体电子公司Carbonics Inc.的研究人员最近开发了一种新型的由排列的碳纳米管制成的晶体管。这种新晶体管发表在《自然电子》上的论文中，其工作频率为千兆赫兹，并且比大多数现有晶体管更容易与CMOS技术集成。
“在研究生学习期间，我与UC Irvine的Peter Burke教授(该技术的原始火炬承担者之一)一起研究了碳纳米管的射频应用，”进行这项研究的研究人员之一克里斯托弗·卢瑟格伦(Christopher Rutherglen)告诉TechXplore。 “毕业后，我继续在一家名为Aneeve LLC的公司中继续工作，该公司的重点是使用USC的Chongwu Zhou小组的IP(知识产权)许可，使用碳纳米管制造高频晶体管。”
展示晶体管的视频动画。图片来源：Rutherglen等。
2014年，在获得大量风险投资资金后，卢瑟格兰(Rutherglen)所在的公司Aneeve LLC重新合并为Carbonics Inc.。从那时起，该公司一直在尝试开发高频碳纳米管晶体管并最终使其商业化。该结果最近发表在《自然电子》上，对于Carbonics Inc.以及这种特殊类型晶体管的整体发展而言，都是一个重大的飞跃。
Rutherglen和他的同事开发的高频晶体管与类似的现有技术之间的主要区别在于，前者是由数千种排列的碳纳米管制成，而不是由高维Si或III-V材料制成。碳纳米管的重要优点是它们是一维材料，因此具有出色的传输特性。
Rutherglen解释说：“例如，当电子通过任何材料传输时，它们都有沿其行进路径散射或碰撞的趋势，这最终会降低整个设备的速度。” “在诸如碳纳米管的一维材料中，电子可以在散射之前传播更长的距离，因为电子可以散射到的可用状态更少。简而言之：电子不能向上或向下，向右或向左散射，因为不存在这样的状态一维材料。”
晶体管中碳纳米管的另一个优点是，可以使用简单的表面涂覆方法将其应用于多种基材。此特性有助于它们与CMOS和其他半导体技术的集成，因为它使它们更易于与其他材料组合。
高性能且可晶圆缩放的对准碳纳米管晶体管
晶体管的图像渲染。图片来源：Rutherglen等。
Rutherglen说：“近二十年来，基于碳纳米管的高频晶体管一直被认为是改变游戏规则的技术。” “但是，早期的高涨期望并未实现，因此许多人随后放弃了该技术的优点并继续前进。如我们的论文所报道，我们首次证明了碳纳米管高频晶体管技术可以实现关键指标中现有的设备性能表现不俗。”
Rutherglen及其同事进行的这项研究为开发更易于与CMOS电路集成的晶体管开辟了新的可能性。他们的发现还表明，通过解决与开发此类技术相关的一些已知挑战，可以进一步提高晶体管的性能。
将来，这组研究人员收集的结果可能会促使半导体行业发生变化，从而鼓励电子制造商重新评估现有晶体管的设计和结构。 为了使对准的碳纳米管晶体管从原型阶段进入大众市场，该技术仍需要获得数亿美元的投资。
Rutherglen说：“我们的下一步是继续改善所取得的成果，并与行业合作伙伴一起推动技术的发展。” “我们目前正在与行业参与者建立许可和技术转让合作伙伴关系。”