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在模拟电路中，传统硅金属氧化物半导体场效应晶体管（Si MOSFETs）因缩放导致电流饱和恶化、本征增益下降。研究人员开展了互补碳纳米管薄膜晶体管（CNT-TFTs）的研究，发现其负微分电阻诱导电流超饱和可实现高且指数可变本征增益，为模拟和混合信号集成电路发展带来新机遇。
在当今电子时代，模拟和混合信号集成电路广泛应用于各类电子系统，从日常的智能手机到复杂的工业控制设备，都离不开它们的身影。在模拟电路中，晶体管的本征增益（
Av=gm/gds ，即跨导与输出电导之比，代表晶体管能提供的最大电压增益）是衡量其性能的关键指标。然而，传统的硅金属氧化物半导体场效应晶体管（Si MOSFETs）在面对数字驱动的缩放趋势时，却遭遇了严峻挑战。随着器件尺寸不断缩小，短沟道效应（如沟道长度调制和漏极诱导势垒降低（DIBL））愈发显著，这使得电流饱和特性严重恶化，输出电导
gds 大幅增加，进而导致本征增益急剧下降。这一问题已成为制约模拟电路设计发展的关键瓶颈，为了解决这一难题，科研人员一直在寻找新的材料和技术方案。
北京大学的研究人员针对上述问题展开了深入研究，他们将目光聚焦于碳纳米管。碳纳米管具有独特的物理化学性质，如窄带隙（通常为 0.4 - 0.7 eV）、对称带结构，能够实现电子和空穴的双向传导，是构建下一代集成电路的理想候选材料。研究人员通过一系列实验和分析，成功制备出互补碳纳米管薄膜晶体管（CNT-TFTs），并发现其具有基于负微分电阻（NDR）诱导的电流超饱和现象，可实现高且指数可变的本征增益，并且在缩放过程中能够有效避免本征增益的退化。这一研究成果发表在《Nature Communications》上，为模拟和混合信号集成电路的发展开辟了新的道路。
研究人员在这项研究中主要运用了以下几种关键技术方法：首先是材料制备技术，通过化学气相沉积法在硅片上制备 2 - μm 厚的聚对二甲苯（parylene）柔性衬底，并采用超声分散、高速离心等方法制备出随机取向碳纳米管网络和定向排列碳纳米管阵列溶液，用于后续晶体管的制作；其次是器件制备技术，运用光刻、电子束蒸发、原子层沉积等工艺，在柔性衬底上构建基于随机取向碳纳米管网络的底栅型 CNT-TFTs 以及基于定向排列碳纳米管阵列的顶栅型 CNT-TFTs；最后是表征与测试技术，利用半导体参数分析仪、信号发生器、示波器、矢量网络分析仪等设备对器件和电路的电学性能进行测量，并通过拉曼光谱对碳纳米管薄膜材料的质量和性质进行表征 。
研究结果
- CMOS CNT-TFTs 中的栅调制 NDR 效应：研究人员制备的基于随机取向碳纳米管网络的 CMOS CNT-TFTs，在亚阈值区域呈现出栅调制的 NDR 行为。当栅源电压（Vgs ）较低时，输出曲线为 N 形，随着 Vgs 升高，转变为 A 形，进一步增加 Vgs ，NDR 效应消失，曲线转变为正常的正微分电阻（PDR）饱和曲线。在 NDR 向 PDR 转变的过程中，出现了电流超饱和曲线，该曲线对应着本征增益奇点。这种 NDR 行为在同一晶圆的不同器件以及不同批次的器件之间具有良好的一致性和重复性。
- 基于双极性的 NDR 效应机制及其与材料特性的普遍性：以 p 型器件为例，NDR 效应的产生源于漏极侧少数载流子注入的调制。在 N 形输出曲线的不同阶段，载流子分布发生变化，导致电阻改变，从而出现 NDR 现象。栅极对 NDR 效应的调制是通过改变少数载流子在漏极侧的注入势垒实现的。研究发现，碳纳米管的带隙对 NDR 行为有重要影响，合适的带隙是实现宽 NDR 窗口和可用的长超饱和区域的关键。此外，接触方式也会影响 NDR 行为，欧姆接触更有利于获得大的 NDR 窗口。
- CMOS CNT-TFTs 的本征增益奇点及其电路级应用：通过调整偏置条件，将 NDR 器件的工作点移向 NDR/PDR 转变边界，可利用 CMOS CNT-TFTs 的本征增益奇点。基于 CMOS 反相器的测试表明，降低工作电流（Iop ）能使晶体管工作点接近本征增益奇点，从而显著提高反相器的电压增益，增益可调范围从 102 到 106 。研究人员还构建了基于 CMOS CNT-TFTs 的运算放大器（op - amp），通过调整控制电压 Vbias ，该运算放大器可实现 35.4 - 59.9 dB（59 - 986）的可调增益，且具有高速特性，增益带宽积（GBWP）达到 10 MHz，优于其他基于薄膜晶体管（TFT）的运算放大器。
在研究结论和讨论部分，研究人员指出，CMOS CNT-TFTs 具有固有的栅调制 NDR 行为，这源于碳纳米管材料的双极性。合适的带隙和欧姆接触保证了 NDR 诱导的电流超饱和，产生本征增益奇点，使器件在缩放过程中保持高且指数可变的增益。基于 CNT-TFTs 的柔性运算放大器展示了高达 60 dB 的可调单级增益，速度也超过了同类产品。这些结果充分证明了 CNT-TFTs 在模拟和混合信号集成电路领域的巨大潜力，有望成为先进节点技术的有力候选者。此外，基于 CNT-TFTs 独特的 I?V 行为，未来可能会催生出更多非硅电路。同时，研究人员认为，通过适当的方法，在众多窄带隙材料（<1 eV）中有望观察到类似的 NDR 效应，这将推动非硅电路拓扑的发展，显著丰富集成电路技术。总之，这项研究为模拟电路的发展提供了新的方向和思路，在未来电子领域具有广阔的应用前景。
