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      碳納米管由實驗室走向工業場景
      http://www.biclopsgames.com 2020-06-08 15:08:30 觀知天下
      電工電氣網】訊
        現代微處理器是世界上最復雜的系統之一,但其核心是一個非常簡單而優美的器件——晶體管。微處理器中有數十億個近乎完全相同的晶體管。因此,提高晶體管的性能和密度是促使微處理器及受其驅動的計算機更高效工作的最直接的方法。
        硅晶體管尺度的不斷縮小推進著電子技術的進步。當摩爾定律走到止境,硅晶體管縮小變得越來越困難。以半導體碳納米管為基礎的晶體管,作為先進微電子器材中硅晶體管的替代品,與金屬氧化物半導體場效應管(MOSFET)相似,它成為構建下一代計算機的基本單元。當然,盡管碳納米管場效應晶體管(CNFET)比硅場效應晶體管更節能,但它們現在仍大多存在于實驗室傍邊。
        現在,麻省理工學院Shulaker研討團隊經過對規范納米管堆積溶液工藝進行優化,將少數的納米管溶液堆積在晶圓上,明顯進步了吞吐量,加快了堆積過程的速度超越1,100倍,一起降低了本錢。
        這使他們可以在商業硅制作廠和大批量半導體代工中制作碳納米管場效應晶體管。Max M.Shulaker是2013年第一臺碳納米管計算機研討成果第一作者;于2016年加入MIT擔任助理教授,繼續開展碳納米管相關的研討。現在,將碳納米從實驗室轉移到工業場景面對的中心應戰在于:
        一切用于制作碳納米管場效應晶體管的資料和工藝有必要滿足硅基商業制作設備的嚴格的兼容性要求,更深層次的應戰還在于,如何在工業規范基板尺度(200mm直徑的晶圓及以上)上均勻地堆積碳納米。要完成這種碳納米堆積技術有必要滿足三個條件:
        一是在確保規模化出產的一起,最大極限地降低本錢;
        二是要可以利用現有設備,不引入制止的化學污染物或微粒;
        三是要完成比同等尺度硅基更強的功能。
        在實驗室中構建CFNET的最有效的辦法之一是納米管堆積辦法,即將晶圓浸泡在納米管液中,直到納米管粘在晶圓外表。
        碳納米管場效應晶體管(CNFETs)的功能在很大程度上是由堆積工藝決定的,它影響著晶圓外表碳納米管的數量和方向。"它們"要么以隨機的方向粘在晶圓上,要么全部排列在同一方向。這種堆積辦法盡管對工業界來說很實用,但底子無法使納米管對齊。經過對堆積過程的仔細觀察,研討人員發現干式循環,一種間歇性地干燥浸泡晶圓的辦法,可以將堆積時間從48小時大幅縮短到150秒。
        經過ACE辦法培養進步碳納米管堆積的辦法。于是,他們提出了ACE(經過蒸騰人工濃縮),將少數的納米管溶液堆積在晶圓上,而不是將晶圓浸泡在槽中。溶液的緩慢蒸騰增加了碳納米管的濃度和堆積在晶圓上的納米管的總體密度。
        現在,研討人員與商業硅制作廠Analog Devices和半導體代工廠SkyWater Technology合作,運用改進后的辦法制作出了CNFET。他們可以運用這兩家工廠制作硅基晶圓所運用的相同設備,一起也確保了納米管溶液符合這兩家工廠對化學和污染物的嚴格要求。
        值得注意的是,該研討產出的并非傳統意義上的計算機芯片,僅是制作工藝的演示,并且晶體管的柵極長度(即制程)為130nm,相當于2001年代的芯片工藝。新工藝也只完成了45個納米管/微米,這仍然明顯低于之前研討人員預測的200個的最佳密度。不過,研討人員還對納米管的密度與能效聯系進行了剖析:即便在較低的密度下,節省的本錢也會很可觀。
        即便納米管密度為25,也會帶來2.5倍的能效提升。盡管要將這一突破轉化為一個實用芯片技術還有很長的路要走,但它是朝著高功能納米管計算的未來邁出的重要一步,可能成為摩爾定律之后下一個最為重要的「兵器」。
        晶體管的密度隨著每一個技術節點的增加而增加,納米管設計是在不斷的延伸摩爾定律,相信這種晶體管的性能會有無限潛力。
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