撰稿|由课题组供稿
人们希望电子设备更智能，更快，更灵活，甚至突破虚拟与现实的界限，解锁前所未有的体验。芯片发展是价值数万亿美元电子行业背后的动力源泉，过去几十年来在摩尔定律的框架下，芯片的速度与功耗和硅基晶体管的微缩迭代直接相关，但目前的提升与收益已日渐式微。鳍式场效应晶体管（FinFET）技术为平面晶体管结构的革新打开了潘多拉魔盒，缓和了功耗、性能与集成规模之间的冲突。类似于这种立体结构的尝试，NAND Flash、封装、甚至DRAM都开始走向三维集成（3D）路线。逻辑计算芯片在后摩尔时代的3D发展，需要依赖单片三维集成（M3D）实现多层晶体管与高密度互联的集成需求。但在逻辑芯片的M3D过程中，外延、侧墙、离子扩散等高温工艺成为了阻碍多层有源晶体管集成的阿克琉斯之踵，上层工艺温度的牺牲使得晶体管性能折损，无法满足3D集成的原本的愿景与初衷。碳纳米管作为一种新兴低维半导体材料，可用于制备高性能的CMOS晶体管，具备高效能逻辑计算、高灵敏传感、高带宽通信等多方面的应用优势。更为重要的是，碳纳米管技术中采用的低温的材料制备与晶体管加工工艺，非常兼容M3D技术。但由于碳纳米管单片三维集成技术的不成熟，因此高性能的三维集成系统尚未实现。
北京大学碳基电子学研究中心张志勇教授课题组深耕碳纳米管单片三维集成技术。近期在碳纳米管单片三维集成电路与集成系统研究方面取得了系列成果。团队研究并发展了碳纳米管单片三维集成关键工艺，利用具有自发平坦化的旋涂玻璃硅（SOG）材料，实现了高质量层间介质制备，具有高平坦度，低表面粗糙度（R<0.5 nm）与低介电常数
以及良率高于90%，寄生电阻小于
的亚微米尺度层间互联。基于先进的碳基M3D工艺实现了碳管晶体管超细粒度（fine-grain）的垂直集成，层间对准精度接近20 nm。底层阵列碳管晶体管具有超高的性能，在90 nm栅长和-0.7 V漏端偏压下具有1.84 mA/μm的饱和电流与1.65 mS/μm的峰值跨导。基于定向无损的低温碳管转移工艺，在层间介质表面制备高密度阵列碳纳米管和场效应警惕感，有效率迁移率高达650 cm2/Vs，开态电流密度超越硅基、有机半导体、二维材料等单片三维集成研究工作中上层晶体管的性能（图1），是迄今为止M3D技术中性能最高的上层晶体管。
图1 ：碳纳米管三维集成晶体管结构及其性能
基于碳基M3D工艺，课题组进一步开展电路层级的探索，展示了高性能的三维集成电路。首先构建了单片三维集成反相器电路与五阶环形振荡器电路，在16 μm×6 μm有源区面积内集成了12个晶体管与8个层间互联通孔。环形振荡器上拉网络放大晶体管与下拉网络负载电阻晶体管分别置于两层，能够有效表征晶体管与M3D集成工艺的速度潜力。碳管三维环振电路最高取得5.78 GHz的输出振荡频率，对应17 ps的单级门延时，是目前单片三维集成领域内实现的最高电路速度，也是纳米材料领域内速度最快×面积最小的三维集成电路（图2）。
图2：单片三维集成的碳基高速环形振荡器电路表征与性能
课题组进一步研究并制备了三维智能传感芯片，芯片结合单片三维架构优势与碳管的传感、高性能计算，展示了M3D×CNT的一种典型应用场景。研究人员利用功能金属修饰的碳管晶体管作为上层气体传感单元，高性能CMOS压控振荡器电路（VCO）作为底层界面电路与信号转换单元，构成了三维多功能气体探测系统。演示了将8-128 ppm浓度的氢气产生的电导响应转化为连续变化的电压，通过层间通孔传输至底层控制栅极，从而产生变化的高频振荡信号作为系统的整体输出。在不同氢气浓度饱和态下输出频率的实时测试中，系统能够产生超高线性度（r2=0.993）的氢气浓度-输出频率响应，相对响应值超过了上层传感器的电导响应。在5 V的工作电压下能够实现0.78~1.11 GHz的高频信号输出，并具有较低的系统动态功耗（图3）。
图3：单片三维集成碳纳米管传感-界面电路系统架构、表征与性能
原文链接：
https://doi.org/10.1002/inf2.12420
https://doi.org/10.1021/acsnano.3c03190
