获奖项目：碳基纳米电子器件及集成

主要完成人：彭练矛（北京大学)，张志勇（北京大学)，丁力（北京大学)，王胜（北京大学)，梁学磊（北京大学)

推荐单位：教育部

获奖等级：国家自然科学奖二等奖

项目简介：

以碳纳米管和石墨烯为标志的纳米碳材料被认为是未来最重要的信息材料之一。项目针对高性能碳基电子学中的一系列重要问题进行了系统深入的研究，取得了如下成果：

1、碳纳米管的理想n型欧姆接触和弹道场效应晶体管

实现金属和半导体材料的欧姆接触是制备高性能器件的关键。本项目发展了一套半导体纳米材料电学性能和接触研究的定量方法，目前已被国际上几十个研究组采用。对于碳纳米管，发现金属钪或钇可以和碳纳米管的导带形成理想欧姆接触，在此基础上首次制备出性能达到理想弹道极限的n型碳纳米管晶体管，被国际半导体技术路线图（ITRS）选为性能最好的碳纳米管晶体管，钪成为了ITRS推荐的碳基器件中首选n型欧姆接触电极材料。

2、碳基纳米器件的理想高κ栅介质

碳基纳米材料由于其晶格结构完美，缺乏一般高κ介质材料生长所需成核中心，导致无法在其上直接生长高质量超薄栅介质。本项目发展了在碳基纳米材料上直接生长高质量氧化钇栅介质薄膜的方法，获得了等效氧化层厚度为1.5纳米的介质层，其电容逼近碳纳米材料的量子电容，创造的栅电容记录保持至今，成为ITRS推荐的唯一碳基器件栅介质材料，已被法国、美国等研究组用于构建包括高性能柔性电子器件在内的多种纳电子器件。

3、高性能碳纳米管CMOS器件和集成电路的无掺杂制备技术

采用传统半导体方法对碳管进行有效的可控掺杂极其困难。本项目提出通过控制电极材料来达到选择性地向碳管注入电子或空穴，实现晶体管极性的控制，在实验室首次实现了碳管无掺杂高性能完美对称的CMOS电路的制备，并用比CMOS逻辑效率更高的传输晶体管逻辑设计并实现了纳米运算器所需的全部电路，将电路的驱动电压降至0.4V的水平。2013年发表在《自然》杂志的评论文章将这种低功耗技术视为是追求基于碳纳米管晶体管计算技术的最重要的推动力之一。采用该技术制备的碳管总线集成电路工作，于2014年被《自然》杂志作为研究热点专题介绍。

4. 高性能碳纳米管光电器件与集成

通过选取非对称接触电极，在碳管上构建出了有效的p-n结，实现了首个碳管发光和光电二极管。在此基础上，通过在碳管上引入虚电极，发明了碳管级联光电池技术，在一根10微米长的碳管上实现了光电压的5倍增，获得了超过1V的光电压，入选2011年度中国科学十大进展。这些工作表明在碳管上无需掺杂，仅需通过选择电极组合即可实现完美的电子和光电子器件集成。

该项目历时十余年，发表论文50余篇。8篇发表在《自然-光子学》、《自然-通讯》等杂志上的代表性论文被《自然》、《科学》等顶级期刊上发表的论文他引548次。相关工作申请专利19项，其中11项已获授权。项目发展了一整套碳纳米管CMOS集成电路和光电器件的无掺杂制备新技术，成为了下一代信息处理技术的强有力的竞争者，相关成果被13次写入国际半导体技术路线图，入选 2011年度“中国科学十大进展”，获2013年高校自然科学一等奖，并被《2015中国自然指数》作为北京的代表工作重点报道。项目第一完成人荣获第四届推动“北京创造”的十大科技人物称号。

碳基晶体管优异性能

科研现场（显微镜表征）	科研现场（样品保存）

科研现场（探针台操作中）	科研现场（工作中）	科研现场（镀膜仪操作中）