隨著集成電路技術(shù)的快速發(fā)展，硅基互補(bǔ)極性金屬-氧化物-半導(dǎo)體（CMOS）晶體管尺寸的持續(xù)微縮為數(shù)字電路帶來了速度提升、功耗降低和集成度提高等顯著收益，但尺寸縮減同時(shí)也對(duì)先進(jìn)工藝節(jié)點(diǎn)下的模擬電路的設(shè)計(jì)帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。硅基CMOS技術(shù)在尺寸縮減過程中，短溝道效應(yīng)使得晶體管的電流飽和特性顯著惡化，本征增益（用于表征晶體管所能提供的最大電壓增益）持續(xù)衰退，限制了高精度模擬電路的設(shè)計(jì)?，F(xiàn)有的器件層面的解決方案，普遍存在驅(qū)動(dòng)電流低、工藝兼容性差或難以實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)極性器件集成等問題。

針對(duì)這一問題，北京大學(xué)電子學(xué)院胡又凡-彭練矛團(tuán)隊(duì)，基于碳納米管材料和碳納米管晶體管的特性進(jìn)行研究，于近期首次報(bào)道了碳納米管CMOS晶體管中亞閾值區(qū)的本征負(fù)微分電阻效應(yīng)和電流超飽和現(xiàn)象。研究表明，碳基CMOS晶體管中存在長(zhǎng)且平坦的負(fù)-正微分電阻轉(zhuǎn)變邊界，對(duì)應(yīng)電流超飽和現(xiàn)象和本征增益奇點(diǎn)（微分電導(dǎo)趨近于零，本征增益趨于無窮大）。當(dāng)晶體管偏置在超飽和區(qū)域附近，可取得102至106的超高且指數(shù)可調(diào)增益。

圖1 超飽和的碳基CMOS晶體管

a, 柔性碳基CMOS晶體管結(jié)構(gòu)示意圖

b, 碳基CMOS晶體管的輸出曲線示意圖，包含亞閾值區(qū)的本征負(fù)微分電阻效應(yīng)和電流超飽和現(xiàn)象

研究發(fā)現(xiàn)，碳基器件本征增益奇點(diǎn)在器件溝道長(zhǎng)度縮減至深亞微米尺度下仍可保持,證明了碳基器件的高增益特性可以有效抵御尺寸縮減衰退。此外，在亞閾值區(qū)表現(xiàn)NDR與電流超飽和特性的器件在開態(tài)仍可具備優(yōu)異的電學(xué)性能，微米尺度的柔性碳基CMOS晶體管開態(tài)電流和跨導(dǎo)值均超過目前已有報(bào)道的同等尺寸其他柔性CMOS晶體管技術(shù)，溝道尺寸縮減至深亞微米的碳基晶體管的開態(tài)電流密度超過1 mA/μm，性能與先進(jìn)節(jié)點(diǎn)硅基器件相當(dāng)，展現(xiàn)了碳基技術(shù)在構(gòu)建下一代模擬與混合信號(hào)集成電路中的潛力。

圖2 超飽和碳基CMOS晶體管的電學(xué)特性表征

a-b, 晶體管的轉(zhuǎn)移與輸出特性圖

c-d, 亞閾值區(qū)負(fù)-正微分電阻轉(zhuǎn)變曲線與微分電導(dǎo)提取

e-f, 晶體管的微分電導(dǎo)圖，包含大面積的柵壓可調(diào)NDR區(qū)域

研究進(jìn)一步從物理機(jī)制層面揭示了窄帶隙材料中雙極性載流子競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致NDR效應(yīng)的機(jī)理，并通過能帶工程驗(yàn)證了NDR機(jī)制在碳納米管等窄帶隙半導(dǎo)體材料體系中的普適性。碳納米管的準(zhǔn)一維形態(tài)所致的無費(fèi)米釘扎效應(yīng)、超薄體帶來的強(qiáng)靜電控制能力等優(yōu)異特性使得碳基CMOS晶體管中的NDR效應(yīng)具有大的電壓窗口和平坦的轉(zhuǎn)變邊界，進(jìn)一步使得器件的本征增益奇點(diǎn)效應(yīng)可以在實(shí)際電路中得到應(yīng)用?；谝陨习l(fā)現(xiàn)，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建的柔性碳基CMOS運(yùn)算放大器在單級(jí)結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)了35至60分貝的可調(diào)增益范圍，單級(jí)增益遠(yuǎn)超此前同類工作，且無需復(fù)雜外圍電路即可實(shí)現(xiàn)指數(shù)可調(diào)增益，展示出碳基CMOS技術(shù)基于自身器件特點(diǎn)進(jìn)行電路拓?fù)鋭?chuàng)新的可能性。同時(shí)，基于NDR機(jī)制的普適性，研究的相關(guān)工作也有望延伸至其他窄帶隙半導(dǎo)體、新興低維材料體系中。

圖3 具備超高和指數(shù)可調(diào)增益的柔性碳基CMOS運(yùn)算放大器

a, 基于柔性碳基CMOS晶體管構(gòu)建的五管運(yùn)算放大器電路圖

b, 柔性碳基CMOS運(yùn)算放大器在尾電流源管不同偏置狀態(tài)下取得35dB-60dB的指數(shù)可調(diào)增益

c, 與代表性工作對(duì)比

以上相關(guān)成果以《具有本征增益奇點(diǎn)的超飽和互補(bǔ)極性碳納米管晶體管》(Super-saturated complementary carbon nanotube transistors with intrinsic gain singularities)為題，于2025年4月10日在線發(fā)表于《自然 通訊》(Nature Communications)。該項(xiàng)研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目以及納米器件物理與化學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的支持。北京大學(xué)電子學(xué)院博雅博士后龍冠樺為論文第一作者，胡又凡副教授和彭練矛教授為論文共同通訊作者，論文的主要合作作者還包括北京大學(xué)電子學(xué)院張志勇教授與梁學(xué)磊教授、北京郵電大學(xué)張盼盼研究員以及清華大學(xué)孫楠教授等。該成果為柔性和碳基電子在模擬與混合信號(hào)集成電路領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐，有望進(jìn)一步推動(dòng)實(shí)現(xiàn)柔性和碳基電子在智能物聯(lián)網(wǎng)邊緣節(jié)點(diǎn)、自適應(yīng)人機(jī)交互系統(tǒng)等應(yīng)用場(chǎng)景下的應(yīng)用和創(chuàng)新發(fā)展。