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近日，中國科學院微電子研究所抗輻照實驗室李博研究員、陸芃副研究員團隊在三維互補式場效應晶體管（3D CMOS）技術領域取得重大突破。研究團隊創新性地提出碳納米管/硅異質集成（CNT/Si Heterogeneous Integration）技術，成功實現180nm SOI器件后道低溫（≤150℃）碳納米管器件集成，為突破傳統硅基3D CMOS技術熱預算高、工藝復雜等瓶頸提供了全新解決方案。相關成果發表于國際權威期刊《Advanced Functional Materials》，并獲國內外學術界高度關注。 技術突破：低溫集成與電學特性精準調控 傳統硅基3D CMOS技術因高溫工藝（通常>300℃）導致材料熱應力、界面缺陷等問題，限制了器件性能與良率。研究團隊基于碳納米管材料優異的低溫成膜能力，開發出“低溫熱預算構建”工藝，在150℃以下完成碳納米管p型場效應晶體管（p-FET）與硅基n型場效應晶體管（n-FET）的垂直堆疊集成。通過優化界面接觸、摻雜濃度及柵極結構，團隊實現了N、P型晶體管閾值電壓的精準匹配，顯著提升了3D CMOS電路的噪聲容限（NMH/NML=0.404/0.353×VDD），同時達成高增益（~49.9）、超低功耗（390 pW）及高均一性（片間差異<6%）等關鍵性能指標。 
碳硅CMOS FET器件電學性能表現 仿真驗證：14nm節點性能優勢顯著 為驗證該技術在先進工藝節點中的潛力，研究團隊聯合南京大學、安徽大學團隊，利用TCAD仿真工具搭建了14nm FinFET/CNT 3D CMOS電路單元。理論分析表明，相較于商用14nm FinFET工藝，碳硅異質集成器件在噪聲容限、功耗及信號完整性方面均展現出顯著優勢。這一成果為未來高性能計算、低功耗物聯網等領域的芯片設計提供了新范式。 應用前景：后摩爾時代芯片技術的重要方向 隨著集成電路工藝節點逼近物理極限，三維異質集成技術被視為延續摩爾定律的關鍵路徑。中科院微電子所此次突破不僅解決了傳統3D CMOS技術中熱預算高、工藝復雜等難題，更通過碳納米管與硅基材料的優勢互補，為高性能數字電路、存算一體芯片及神經形態計算硬件的研發開辟了新方向。研究團隊表示，下一步將聚焦14nm及以下節點的工藝優化與可靠性驗證，推動該技術向產業化應用邁進。 多學科協同創新 推動技術落地 該研究由中科院微電子所牽頭，聯合南京大學朱馬光研究員團隊、安徽大學胡海波教授團隊共同完成。研究過程中，團隊融合了微電子器件物理、材料科學與先進制造工藝等多學科優勢，攻克了低溫集成中的界面工程、熱應力控制等核心難題。論文通訊作者李博研究員指出：“碳硅異質集成技術為后摩爾時代芯片性能提升提供了新思路，未來將進一步探索其在量子計算、光子集成等前沿領域的應用潛力。” 論文信息 論文標題：Low-Thermal-Budget Construction of Carbon Nanotube p-FET on Silicon n-FET toward 3D CMOS FET Circuits with High Noise Margins and Ultra-Low Power Consumption 期刊：Advanced Functional Materials DOI：10.1002/adfm.202504068 |
