隨著傳統硅基晶體管逐漸逼近物理極限，面向2納米及以下工藝節點的新型器件成為全球半導體領域競爭的焦點。其中，互補場效應晶體管（Complementary FET，CFET）因能夠將N型和P型晶體管進行垂直堆疊，在相同芯片面積下進一步提升晶體管密度，被國際器件與系統路線圖（IRDS）列為后FinFET、GAAFET時代的重要器件架構，也是未來2 nm以下先進制程的重要技術方向。
近日，北京大學電子學院梁學磊教授團隊在這一前沿領域取得突破性進展，成功研制出全球首個基于全碳納米管（Carbon Nanotube，CNT）的互補場效應晶體管（CFET）數字邏輯電路，填補了國際上碳納米管CFET器件及電路研究的空白，為后硅時代高密度三維集成和新型計算架構提供了新的技術路徑。
近年來，隨著硅基MOSFET尺寸不斷縮小，器件性能提升逐漸受到短溝道效應、功耗增加以及制造復雜度提升等問題制約，學術界和產業界開始積極探索新的溝道材料。
碳納米管因具有超高載流子遷移率、接近彈道輸運能力、優異的電學性能以及低溫制造兼容性，被認為是最具潛力的后硅溝道材料之一。同時，碳納米管能夠采用較低溫度制備，更適合實現多層三維集成，這也是未來CFET架構的重要優勢。
不過，盡管近年來碳納米管晶體管、邏輯電路和環形振蕩器等研究不斷取得進展，真正基于碳納米管構建CFET器件與數字電路此前始終未能實現，成為國際研究中的一項重要空白。
實現全碳納米管CFET，最大的難點來自上下兩層晶體管的一致性控制。
一方面，碳納米管P型與N型晶體管長期存在驅動能力不匹配的問題，難以構建性能均衡的CMOS電路；另一方面，在制造上層器件過程中，高溫工藝容易影響底層器件性能，使整體電路性能下降。
針對上述挑戰，梁學磊團隊提出了無摻雜CMOS（Doping-Free CMOS）設計策略，通過優化器件結構設計，使頂層N型場效應晶體管和底層P型場效應晶體管在保持相同占位面積的情況下，實現了驅動能力的高度匹配，并有效避免了制造過程中對底層器件性能的影響。
基于這一設計，研究團隊成功制備出全碳納米管CFET反相器。測試結果顯示，該器件在0.2 V至1 V寬工作電壓范圍內均表現出優異的軌到軌（Rail-to-Rail）傳輸特性，同時具備低功耗優勢。
其中，在1 V工作電壓下，器件峰值電壓增益達到164，刷新了目前公開報道中低維半導體CFET反相器的最高紀錄，表明該器件已經具備構建復雜數字邏輯系統的能力。
在實現高性能CFET器件基礎上，團隊進一步驗證了該架構在數字電路中的應用能力。
研究人員成功構建了包括或非門（NOR）、或門（OR）、與非門（NAND）、與門（AND）等基礎邏輯單元，以及四晶體管靜態隨機存儲器（4T SRAM）單元。
更具代表性的是，團隊還首次實現了全球首個基于全碳納米管CFET架構的五級環形振蕩器（Ring Oscillator），標志著該技術已從單個器件邁向完整數字邏輯系統，為未來復雜集成電路的發展奠定了基礎。
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