中科院微电子所突破碳硅三维异质集成技术 推动后摩尔时代芯片性能跃升
发布时间：2025-5-6 09:04
发布者：eechina
关键词：
中科院微电子所 , 碳硅三维异质集成技术
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近日，中国科学院微电子研究所抗辐照实验室李博研究员、陆芃副研究员团队在三维互补式场效应晶体管（3D CMOS）技术领域取得重大突破。研究团队创新性地提出碳纳米管/硅异质集成（CNT/Si Heterogeneous Integration）技术，成功实现180nm SOI器件后道低温（≤150℃）碳纳米管器件集成，为突破传统硅基3D CMOS技术热预算高、工艺复杂等瓶颈提供了全新解决方案。相关成果发表于国际权威期刊《Advanced Functional Materials》，并获国内外学术界高度关注。 技术突破：低温集成与电学特性精准调控 传统硅基3D CMOS技术因高温工艺（通常>300℃）导致材料热应力、界面缺陷等问题，限制了器件性能与良率。研究团队基于碳纳米管材料优异的低温成膜能力，开发出“低温热预算构建”工艺，在150℃以下完成碳纳米管p型场效应晶体管（p-FET）与硅基n型场效应晶体管（n-FET）的垂直堆叠集成。通过优化界面接触、掺杂浓度及栅极结构，团队实现了N、P型晶体管阈值电压的精准匹配，显著提升了3D CMOS电路的噪声容限（NMH/NML=0.404/0.353×VDD），同时达成高增益（~49.9）、超低功耗（390 pW）及高均一性（片间差异<6%）等关键性能指标。 
碳硅CMOS FET器件电学性能表现 仿真验证：14nm节点性能优势显著 为验证该技术在先进工艺节点中的潜力，研究团队联合南京大学、安徽大学团队，利用TCAD仿真工具搭建了14nm FinFET/CNT 3D CMOS电路单元。理论分析表明，相较于商用14nm FinFET工艺，碳硅异质集成器件在噪声容限、功耗及信号完整性方面均展现出显著优势。这一成果为未来高性能计算、低功耗物联网等领域的芯片设计提供了新范式。 应用前景：后摩尔时代芯片技术的重要方向 随着集成电路工艺节点逼近物理极限，三维异质集成技术被视为延续摩尔定律的关键路径。中科院微电子所此次突破不仅解决了传统3D CMOS技术中热预算高、工艺复杂等难题，更通过碳纳米管与硅基材料的优势互补，为高性能数字电路、存算一体芯片及神经形态计算硬件的研发开辟了新方向。研究团队表示，下一步将聚焦14nm及以下节点的工艺优化与可靠性验证，推动该技术向产业化应用迈进。 多学科协同创新 推动技术落地 该研究由中科院微电子所牵头，联合南京大学朱马光研究员团队、安徽大学胡海波教授团队共同完成。研究过程中，团队融合了微电子器件物理、材料科学与先进制造工艺等多学科优势，攻克了低温集成中的界面工程、热应力控制等核心难题。论文通讯作者李博研究员指出：“碳硅异质集成技术为后摩尔时代芯片性能提升提供了新思路，未来将进一步探索其在量子计算、光子集成等前沿领域的应用潜力。” 论文信息 论文标题：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 |
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