北京大学电子学院张志勇课题组基于钙钛矿掺杂碳纳米管实现低功耗隧穿晶体管

硅基互补型金属氧化物半导体（CMOS）技术已于2022年进入5纳米技术节点，晶体管特征尺寸接近物理极限，寻求新材料、新原理半导体集成电路技术成为学术界和产业界的关注焦点。碳纳米管（CNT）具有优异的电学性能、准一维晶格结构、高载流子迁移率等特点，是构建新型CMOS晶体管和集成电路的理想半导体沟道材料之一。与传统硅基半导体材料不同，碳纳米管由C-C sp2共价键组成，化学稳定性强，难以实现可控稳定掺杂，极大限制碳基器件电学调控自由度。

近期，北京大学电子学院碳基电子学研究中心、纳米器件物理与化学教育部实验室张志勇教授、浙江大学金传洪教授、南京大学朱马光研究员（此前为北京大学电子学院博士后）课题组合作，利用碳纳米管气相/液相自组装填充技术，在碳纳米管内成功填充一维钙钛矿材料（CsPbBr3/CsSnI3），调控电学特性，并成功构建内掺杂碳纳米管CMOS晶体管。更重要的是，团队基于半填充钙钛矿-碳纳米管（CsPbBr3/CNT）同轴异质结，设计并首次展示了断隙（broken-gap）隧穿晶体管（TFET）。器件室温亚阈值摆幅约35mVdec-1，开关电流比大于105，展示了一维钙钛矿掺杂碳纳米管材料在构建高性能和超低功耗集成电路领域的应用前景。

图1：同轴异质结的的内填充钙钛矿原子结构和DFT计算能带情况

图2：N型全填充掺杂CsPbBr3/CNT晶体管器件

图3：超低功耗半填充掺杂CsPbBr3/CNT同轴异质结隧穿晶体管性能及其稳定性测试

相关成果以题为“Inner doping of carbon nanotubes with perovskites for ultralow power transistors”的论文，于6月11日在线发表于Advanced Materials（Adv.Mater.2024，2403743）。朱马光、浙江大学博士生殷慧敏、中科院微电子研究所曹江研究员、北京大学徐琳博士为共同第一作者，张志勇、金传洪与朱马光为共同通讯作者。

本工作得到了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金和江苏省自然科学基金等项目的支持，上述成果充分展示了碳纳米管材料在超低功耗领域的巨大优势，有望应用在高性能和超低功耗集成电路制备上。