【澳门金沙4787.com】石墨烯要做硅材料的接班人?碳纳米管表示不服

原标题:摩尔定律放缓 石墨烯3D芯片能延续美半导体荣光

1月20日,顶级科学杂志《Nature》刊登了北京大学教授彭练矛和物理电子学研究所副所长张志勇课题组在碳纳米管电子学领域取得的世界级突破:首次制备出5纳米栅长高性能碳纳米管晶体管,并证明其性能超越同等尺寸硅基CMOS场效应晶体管,将晶体管性能推至理论极致。

自从特朗普把”美国优先”树立为美国政府制定政策的标准以来,美国的各个产业部门都应景地涌现出”使美国再次伟大”的方案和计划来,其中自然少不了电子行业。美国国防高级研究计划局(DARPA)作为美国军用技术研究主要管理部门适时地启动了电子复兴计划。

2月27日,央视新闻频道播出了专题节目《神奇的石墨烯》,(石墨烯上CCTV啦!新闻频道专题节目《石墨烯到底有多神奇?》(附视频)),节目中提到,石墨烯有望替代硅,成为下一代芯片的主要材料。利用石墨烯制造新一代器件,也有望让我国的芯片制造业实现弯道超车,达到国际先进水平。

该计划旨在团结美国的产业界和学术界,以重振美国略显颓势的芯片产业。因其宣称将改变微电子行业的生产方式,所以有的媒体也鼓吹美国的电子复兴计划将引发第二次电子革命。

众所周知,全球的集成电路产业一直在摩尔定律的“照耀”下沿着硅基的路线前行,但当主流的CMOS技术发展到10纳米技术节点之后,后续发展越来越受到来自物理规律和制造成本的限制,摩尔定律有可能面临终结。20多年来,科学界和产业界一直在探索各种新材料和新原理的晶体管技术,期望替代硅基CMOS技术,但到目前为止,并没有机构能够实现10纳米的新型器件,并且也没有新型器件能够在性能上真正超过最好的硅基CMOS器件。

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碳基超越硅基?

美国的这一计划分为三个部分:

2005年,国际半导体技术线路图(ITRS)委员会首次明确指出在2020年前后硅基CMOS技术将达到其性能极限。后摩尔时代的集成电路技术的研究变得日趋急迫,很多人认为微电子工业在走到7纳米技术节点之后可能不得不面临放弃继续使用硅材料作为晶体管导电沟道。在为数不多的可能替代材料中,碳基纳米材料被公认为最有可能替代硅材料。

一类关乎设计,包括:电子智能资源(IDEA)和先进开源硬件(POSH),主要涉及到降低设计成本的问题。

2008年ITRS新兴研究材料和新兴研究器件工作组在考察了所有可能的硅基CMOS替代技术之后,明确向半导体行业推荐重点研究碳基电子学,作为未来5~10年显现商业价值的下一代电子技术。美国国家科学基金委员会(NSF)十余年来除了在美国国家纳米技术计划中继续对碳纳米材料和相关器件给予重点支持外,在2008年还专门启动了“超过摩尔定律的科学与工程项目”,其中碳基电子学研究被列为重中之重。其后美国不断加大对碳基电子学研究的投入,美国国家纳米计划从2010年开始将“2020年后的纳米电子学”设置为3个重中之重的成名计划(signatureinitiatives)之一。除美国外,欧盟和其他各国政府也高度重视碳纳米材料和相关电子学的研究和开发应用,布局和继续抢占信息技术核心领域的制高点。

一类关乎计算机体系结构,包括:软件定义硬件(SDH)和区域片上系统(DSSoC),主要关注硬件与软件之间独立性和兼容性的问题。

碳纳米管材料中,最有可能替代硅的有两个,碳纳米管和石墨烯。在石墨烯获得诺贝尔奖之前,碳纳米管一直被认为是最有可能代替硅的半导体材料,而如今,由于石墨烯在全球范围内的狂热,似乎有代替碳纳米管之势,那么,石墨烯和碳纳米管,究竟谁能堪当大任呢?

最后一类关注整合材料的问题,即制造芯片材料的整合问题,包括3D片上系统(3dSoC)和新计算基础需求分析(FRANC)。

碳纳米管集成电路的研发优势与发展现状

第一批入围该项目资助的有来自于全美国的43个团队,其中来自麻省理工学院Max
Shulaker团队独得6100万美元位列第一,而这一数字也远高于同为研究3DSoC的佐治亚理工学院团队的310万美元。目前该团队主要的研究内容是将石墨烯材料用于制作碳纳米晶体管,并构造出3D芯片来。据称该团队的研究内容将有望以更低的成本实现50倍计算性能的提升。

1991年,日本NEC公司的饭岛澄男在高分辨透射电子显微镜下检验石墨电弧设备中产生的球状碳分子时,意外发现了由碳分子组成的管状同轴纳米管,也就是现在被称作的碳纳米管CNT,又名巴基管。

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碳管材料具有极为优秀的电学特性。室温下碳管的n型和p型载流子(电子和空穴)迁移率对称,均可以达到10000cm2/(V?s)以上,远超传统半导体材料。另外碳管的直径仅有1~3nm,更容易被栅极电压非常有效开启和关断。

(该团队在3DSoC分项中获得了绝大多数赞助)

碳纳米管相对于硅材料的优点:

大投资、新材料加上号称数量级的性能提升为这支石墨烯3D芯片团队赚足了眼球。国内也有不少公众号转发了这一消息,有的更将其称之为”美国电子复兴计划中的绝对核心”,并称该类芯片将在人工智能领域大显身手。那么我们不禁要问,石墨烯3D芯片是什么?真的有这样的威力吗?

1)载流子输运是一维的。这意味着减少了对载流子散射的相空间,开辟了弹道输运的可能性。相应地,功耗低。

此次的石墨烯3D芯片并非完全由石墨烯构成

2)所有碳原子的化学键都是链接的,由此,没有必要进行化学钝化工艺以消除类似存在于硅表面的悬挂键。这意味着碳纳米管电子不一定非得使用二氧化硅绝缘体,高介电常数和晶体绝缘体都可以直接使用。

负责此次3D芯片项目的是麻省理工学院的明星教授Max
Shulaker,Max教授早在斯坦福大学就读博士时就有惊人的理论成果。他所在的团队开发出了世界上第一台基于碳纳米晶体管技术的计算机,并将成果公布在著名的《自然》杂志上。

3)强共价键结构能使碳纳米管具有较高的机械稳定性和热稳定性,且对电迁移有很好的抵抗力,可以承受的电流密度高达10A/cm。

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4)它们的关键尺寸,即直径,是由化学反应控制,而不是传统的制造工艺。

(Max Shulaker教授像)

5)原则上,无论是有源器件(晶体管)还是互连联结线,都可以分别由半导体属性和金属属性的碳纳米管制成。

2017年Max教授再次于《自然》杂志发文提出单芯片上三维集成的计算和存储模型,也是在这篇文章中产生了石墨烯制造的碳纳米管3D芯片这一概念。

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由于Max教授2013年的辉煌过往,几乎国内所有的报道都把此处的3DSoC当作是完全的石墨烯芯片,而且把Max
2017年发表的论文视为其2013年的那篇论文的发展和延续,而忽略了二者存在的明显区别。

斯坦福大学研究组采用如(a)所示的碳纳米管阵列制备出了如(b)所示的世界上第一个碳纳米管计算机;(c)主要功能单元的扫描电子显微镜像

2013年的那个碳纳米晶体计算机是完全意义上的纯碳纳米技术计算机,其主要内容是探索用新材料取代硅做新型电子设备的材料,而最近发表于自然杂志的石墨烯3D芯片则是试图用石墨烯材料参与到传统硅芯片的构建中来,两者的思路是不尽相同的。

碳纳米管半导体器件的研究进展:

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(论文配图可以明显看出不是纯石墨烯芯片)

近年来,基于碳纳米管的碳基电子学研究取得了飞速发展,并逐渐从基础研究转向实际应用。得益于材料自身的优良性质和世界范围的政策和资金支持,研发人员在碳纳米管的器件物理、器件制备、集成方法等方面都取得了相当的成就,达到了其他纳米材料从未达到过的高度。

该教授2017年发表在《自然》杂志论文中报告的芯片,拥着四个集成电路层,并拥有5个子系统。其中负责实验样品蒸汽数据采集、传输和处理的部分是碳纳米晶体管构建的,而电阻随机存储单元(RRAM)和接口电路是由硅晶体管构建的。毫无疑问,这是一个组合型的气味探测芯片,而不仅仅是碳纳米晶体管构成的。

研究进展表明碳基电子学器件相比传统硅基器件具有5~10倍的速度和能耗优势,可以实现5nm以下的半导体技术节点,满足2020年之后新型半导体芯片的发展需求。研发人员已经实现了具有各种功能的基础逻辑单元,原则上就可以利用这些逻辑单元制备出具有极高复杂程度的碳基集成电路。

石墨烯芯片还存在很多问题

《自然》杂志于2013年发表了美国斯坦福大学的研究人员采用178个碳纳米管晶体管制造出的的计算机原型。《MIT技术评论》于2014年报道了美国IBM公司表示将在2020年之前利用碳纳米管制备出比现有芯片快5倍的半导体芯片。美国IBM公司于相关媒体发表的结果表明,基于碳纳米管的半导体芯片在性能和能耗方面都比传统硅基芯片有显著改善:硅基半导体技术从7nm缩减到5nm节点,相应的芯片性能大约有20%的增加,而7纳米技术节点下的碳基半导体技术比硅基7nm的性能提高300%,相当15代硅基技术的改善。这些进展使半导体产业界看到了碳基电子学时代的曙光,有望将性能持续提高的摩尔定律延续到2050年。

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