High-Performance Dual-Gate Transistors Based on Aligned Carbon Nanotubes

材料科学 碳纳米管 跨导 纳米技术 阈下斜率 晶体管 栅极电介质 场效应晶体管 光电子学 电气工程 电压 工程类
作者
Junhao Lv,Zizhuo Shen,Dehuan Meng,Lian‐Mao Peng,Chenguang Qiu
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:16 (43): 58864-58871 被引量:6
标识
DOI:10.1021/acsami.4c12453
摘要

Aligned carbon nanotubes (A-CNTs), with atomic-scale thickness and ultrahigh carrier mobility, hold promise for constructing future sub-1 nm node integrated circuits (ICs) with higher speed and lower power consumption. However, the fabricated A-CNT transistors often suffer from the disorder of high-density CNT, which degrade the off-characteristic deviating significantly from theoretical values. Introducing a dual-gate (DG) configuration can provide higher gate control efficiency compared to conventional single-gate (SG) transistors and is expected to enhance the overall performance of A-CNT transistors. However, the reported A-CNT dual-gate field-effect transistors (DG-FETs) still exhibit nonideal switching behavior, and systematic exploration and optimizations for constructing high-performance A-CNT DG structures have been lacking so far. In this work, we conducted a detailed study on the matching issues between the top-gate (TG) and bottom-gate (BG) stacks. By optimizing the gate metal materials and dielectric layer thickness, we enabled 20 nm channel A-CNT DG-FETs to achieve leading switching characteristics, including an on-state current density (Ion) of up to 1.47 mA/μm, a peak transconductance (Gm) of 2 mS/μm, a subthreshold slope (SS) as low as 83 mV/decade, and a current on/off ratio of 106. This study provides critical experimental guidance for constructing outstanding A-CNT DG-FETs at advanced technology nodes to compete with cutting-edge silicon-based chips and is also valid for two-dimensional channels.
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