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随着硅基场效应晶体管(FET)逐渐接近其基本物理极限，如何跟上摩尔定律的发展轨迹成为半导体技术面临的挑战。半导体产业已逐步进入后摩尔时代。此时，器件级可重构性（即在一个器件单元中集成多种功能，以更紧凑的逻辑门实现更复杂的系统）是扩展集成电路产业发展的一种很有前途的方法。 来自清华大学的学者在肖特基势垒(SB)碳纳米管晶体管的基础上，研制了一种可再配置的碳纳米管(CNT)晶体管。该器件具有明显的整流特性，可通过施加适当的栅极电压重新配置为正向整流模式或后向整流模式。其可重构性来源于碳纳米管通道的双极性特性，其整流行为可归因于漏极诱导的自门极等。进一步的实验表明，正是界面电荷的重新分布在漏极附近的SB上起到了额外栅极的作用。利用可再配置的碳纳米管可控硅制作了栅控半波整流器。碳纳米管阻抗器为碳纳米管电子器件带来了新的功能，也为未来的可再配置器件设计开辟了新的方法。相关文章以“Reconfgurable Carbon Nanotube Barristor”标题发表在Advanced Functional Materials。https:///10.1002/adfm.202107454
图1.典型碳纳米管晶闸管的可重构整流行为。a)电连接自穿透CNT可控硅的结构示意图(上面板)。碳纳米管晶闸管的扫描电镜图像(下图)。b)偏置电压为1V时碳纳米管的传输特性。c)I-V等值线图分析。d)对于p型沟道，在VG=−2V时，切换偏置电极和接地电极前后的输出曲线均呈现正向整流特性。e)在VG=4V时，n型沟道在切换电极前后的输出曲线都表现出向后整流特性。f)在VG=0，1，3，4V时，碳纳米管的典型输出曲线呈现出由正向整流向后向整流的转变。
图2.随温度变化的自穿透效应等。在a)RT、b)180°C和c)返回RT时测量另一个CNT栅极的I-V等值线图。对于RT和返回RT的测量，自穿透效应等都很明显，这反映在非对称输出特性(Sh)上。在180C时，对称的输出特性意味着自穿透效应等消失。
图3.可重构整流自穿透效应的起源等。a)分别从(b)中的蓝框和(c)中的红框中提取的表面电位分布。b-c)在VG=0V时用−0.5V或0.5V偏置电压获得的KPFM电位图像和相应的原子力显微镜相位图像(插图)d-f)在负栅极电压(d)下正电荷注入、在−VDS(e)处正表面电荷在电极-碳纳米管交叉附近累积以及在VDS(f)处正表面电荷从漏电极排斥的示意图。
图4.基于碳纳米管晶闸管的栅极可调半波整流器。a)门可调半波整流器原理图。b)在VG=−20，−3，2V下分别实现了输入正弦波幅值为3V的半波整流结果的全通、正通和负通滤波。
综上所述，本文在SB CNT晶体管的基础上研制了一种具有可重构整流特性的CNT晶体管。它可以通过栅极调制在正向整流和反向整流之间切换，源漏极互换时整流保持不变。这种明显的整流可以归因于漏极诱导的自门极效应(Self-Gate eff)等。变温实验和KPFM观察表明，界面电荷重新分布在SB附近的漏电极上起到了附加栅极的作用。当双极碳纳米管沟道通过VG在p型和n型沟道之间切换时，空穴和电子只能通过漏极较窄的SB有效地注入到沟道中，这使得碳纳米管具有可再配置的整流特性。在此基础上，进一步利用该碳纳米管制作了栅极可控半波整流器。整流器可以根据栅极电压设置为全通模式、正通模式和负通模式。双极性整流碳纳米管的出现，为碳纳米管器件带来了新的功能，也极大地拓展了基于碳纳米管的功能器件家族。由界面电荷实现的自选通电子器件进一步为未来的可重构器件设计开辟了新的方法，在后摩尔时代具有广阔的应用前景。（文：SSC）
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