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碳纳米管由实验室走向工业场景
http://www.tyn99.cn 2020-06-08 15:08:30 观知天下
  现代微处理器是世界上最复杂的系统之一,但其核心是一个非常简单而优美的器件——晶体管。微处理器中有数十亿个近乎完全相同的晶体管。因此,提高晶体管的性能和密度是促使微处理器及受其驱动的计算机更高效工作的最直接的方法。
  硅晶体管尺度的不断缩小推进着电子技术的进步。当摩尔定律走到止境,硅晶体管缩小变得越来越困难。以半导体碳纳米管为基础的晶体管,作为先进微电子器材中硅晶体管的替代品,与金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)相似,它成为构建下一代计算机的基本单元。当然,尽管碳纳米管场效应晶体管(CNFET)比硅场效应晶体管更节能,但它们现在仍大多存在于实验室傍边。
  现在,麻省理工学院Shulaker研讨团队经过对规范纳米管堆积溶液工艺进行优化,将少数的纳米管溶液堆积在晶圆上,明显进步了吞吐量,加快了堆积过程的速度超越1,100倍,一起降低了本钱。
  这使他们可以在商业硅制作厂和大批量半导体代工中制作碳纳米管场效应晶体管。Max M.Shulaker是2013年第一台碳纳米管计算机研讨成果第一作者;于2016年加入MIT担任助理教授,继续开展碳纳米管相关的研讨。现在,将碳纳米从实验室转移到工业场景面对的中心应战在于:
  一切用于制作碳纳米管场效应晶体管的资料和工艺有必要满足硅基商业制作设备的严格的兼容性要求,更深层次的应战还在于,如何在工业规范基板尺度(200mm直径的晶圆及以上)上均匀地堆积碳纳米。要完成这种碳纳米堆积技术有必要满足三个条件:
  一是在确保规模化出产的一起,最大极限地降低本钱;
  二是要可以利用现有设备,不引入制止的化学污染物或微粒;
  三是要完成比同等尺度硅基更强的功能。
  在实验室中构建CFNET的最有效的办法之一是纳米管堆积办法,即将晶圆浸泡在纳米管液中,直到纳米管粘在晶圆外表。
  碳纳米管场效应晶体管(CNFETs)的功能在很大程度上是由堆积工艺决定的,它影响着晶圆外表碳纳米管的数量和方向。"它们"要么以随机的方向粘在晶圆上,要么全部排列在同一方向。这种堆积办法尽管对工业界来说很实用,但底子无法使纳米管对齐。经过对堆积过程的仔细观察,研讨人员发现干式循环,一种间歇性地干燥浸泡晶圆的办法,可以将堆积时间从48小时大幅缩短到150秒。
  经过ACE办法培养进步碳纳米管堆积的办法。于是,他们提出了ACE(经过蒸腾人工浓缩),将少数的纳米管溶液堆积在晶圆上,而不是将晶圆浸泡在槽中。溶液的缓慢蒸腾增加了碳纳米管的浓度和堆积在晶圆上的纳米管的总体密度。
  现在,研讨人员与商业硅制作厂Analog Devices和半导体代工厂SkyWater Technology合作,运用改进后的办法制作出了CNFET。他们可以运用这两家工厂制作硅基晶圆所运用的相同设备,一起也确保了纳米管溶液符合这两家工厂对化学和污染物的严格要求。
  值得注意的是,该研讨产出的并非传统意义上的计算机芯片,仅是制作工艺的演示,并且晶体管的栅极长度(即制程)为130nm,相当于2001年代的芯片工艺。新工艺也只完成了45个纳米管/微米,这仍然明显低于之前研讨人员预测的200个的最佳密度。不过,研讨人员还对纳米管的密度与能效联系进行了剖析:即便在较低的密度下,节省的本钱也会很可观。
  即便纳米管密度为25,也会带来2.5倍的能效提升。尽管要将这一突破转化为一个实用芯片技术还有很长的路要走,但它是朝着高功能纳米管计算的未来迈出的重要一步,可能成为摩尔定律之后下一个最为重要的「兵器」。
  晶体管的密度随着每一个技术节点的增加而增加,纳米管设计是在不断的延伸摩尔定律,相信这种晶体管的性能会有无限潜力。
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