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高密度半导体阵列碳纳米管研究获突破

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发表于 2020-05-22 19:45 | 显示全部楼层 |阅读模式

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图1 大规模集成电路对碳管材料的要求

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图2 高密度、高纯度半导体碳管阵列的制备和表征

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图3 高性能碳管晶体管

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图4 碳管高速集成电路

北京大学信息科学技术学院电子学系/北京大学碳基电子学研究中心、纳米器件物理与化学教育部重点实验室教授张志勇—彭练矛课题组发展全新的提纯和自组装方法,制备高密度高纯半导体阵列碳纳米管材料,并在此基础上首次开发了性能超越同等栅长硅基CMOS技术的晶体管和电路,展现出碳管电子学的优势。5月22日,相关研究成果以《用于高性能电子学的高密度半导体碳纳米管平行阵列》为题,在线发表于《科学》。

集成电路的发展,要求互补金属氧化物半导体(CMOS)晶体管在持续缩减尺寸的同时提升性能、降低功耗。随着主流CMOS集成电路缩减到亚10 纳米技术节点,采用新结构或新材料对抗场效应晶体管中的短沟道效应,进一步提升器件能量利用效率变得愈加重要。在诸多新型半导体材料中,半导体碳纳米管具有超高的电子和空穴迁移率、原子尺度的厚度和稳定的结构,是构建高性能CMOS器件的理想沟道材料。已公开的理论计算和实验结果均表明,碳管CMOS晶体管采用平面结构即可缩减到5 纳米栅长,且较同等栅长的硅基CMOS器件具有10倍的本征性能—功耗综合优势。

碳纳米管集成电路批量化制备的前提是,实现超高半导体纯度(>99.9999%)、顺排、高密度(100~200 /纳米)、大面积均匀的碳纳米管阵列薄膜(见图1)。长期以来,材料问题的制约导致碳管晶体管和集成电路的实际性能远低于理论预期,甚至落后于相同节点的硅基技术至少一个数量级,因而成为碳管电子学领域所面临的最大技术挑战。

该课题组采用多次聚合物分散和提纯技术得到超高纯度碳管溶液,并结合维度限制自排列法,在4英寸基底上制备出密度为120 /微米、半导体纯度高达99.99995%、直径分布在1.45±0.23纳米的碳管阵列(见图2),从而达到超大规模碳管集成电路的需求。

基于这种材料,批量制备出场效应晶体管和环形振荡器电路,100 纳米栅长碳管晶体管的峰值跨导和饱和电流分别达到0.9 毫秒/微米和1.3毫安/微米(VDD=1 V,见图3),室温下亚阈值摆幅为90毫伏/倍频程;批量制备出五阶环形振荡器电路,成品率超过50%,最高振荡频率8.06千兆赫兹远超已发表的基于纳米材料的电路(见图4),且超越相似尺寸的硅基CMOS器件和电路。

该项工作突破了长期以来阻碍碳管电子学发展的瓶颈,首次在实验上显示出碳管器件和集成电路较传统技术的性能优势,为推进碳基集成电路的实用化发展奠定了基础。

据介绍,北京大学电子学系2015级博士研究生刘力俊和北京元芯碳基集成电路研究院工程师韩杰为并列第一作者,张志勇和彭练矛为共同通讯作者。

相关论文信息:https://doi.org/10.1126/science.aba5980


http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2020/5/440242.shtm
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CDer:001157395
发表于 2020-05-22 23:55 超大游击队员 | 显示全部楼层
是不是同等制程下碳比硅性能更好,能耗更低?
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CDer:001067895
发表于 2020-05-23 06:15 | 显示全部楼层
目前所有有希望取代硅芯片的科技,基本全是国外领先。
这里的碳纳米管还早的很。
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CDer:000677519
发表于 2020-05-23 22:04 超大游击队员 | 显示全部楼层
webweb 发表于 2020-05-23 06:15
目前所有有希望取代硅芯片的科技,基本全是国外领先。
这里的碳纳米管还早的很。

你开心就好,反正这样研究不用你出一毛钱力量。
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CDer:000979950
发表于 2020-05-24 09:20 | 显示全部楼层
现有机器,不同材料,同种制程,能造出性能更优的芯片吗?
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发表于 2020-05-24 10:07 超大游击队员 | 显示全部楼层
xdw076 发表于 2020-05-24 09:20
现有机器,不同材料,同种制程,能造出性能更优的芯片吗?

可以,但是同时要考虑功耗
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CDer:000038130
发表于 2020-05-24 13:16 | 显示全部楼层
实验室的成果可以出来很多,中科院自己都有不少研究成果,但是一想到产业化规模化生产,就无能为力了,技术、资本、市场等等,要重新构建产业链,各种瓶颈,强如美国也头大,地主家也没余量
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CDer:000921248
发表于 2020-05-24 13:20 | 显示全部楼层
一个字:好极!
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CDer:001117012
发表于 2020-05-24 13:40 | 显示全部楼层

RE: 高密度半导体阵列碳纳米管研究获突破

xxxx502 发表于 2020-05-22 23:55
是不是同等制程下碳比硅性能更好,能耗更低?

硅芯片已经发展的差不多了,马上就到发展到目前认知的极限了,所以需要一种新材料代替它,目前研究认为,碳基纳米材料被最有可能替代硅材料,而碳基纳米材料最有可能替代硅的有两个,碳纳米管和石墨烯。(以下来自网络):碳纳米管相对于硅材料的优点:

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。
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CDer:001117012
发表于 2020-05-24 13:44 | 显示全部楼层
补充说明下,硅是目前半导体最普及的材料,其价值有多大大家都明白,而硅的原料是什么:沙子!所以,能制作半导体需要的高纯度硅技术是有多值钱!以后如果碳基纳米材料能取代硅,那么这种技术又有多大的价值?
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CDer:001067895
发表于 2020-05-24 15:32 | 显示全部楼层

RE: 高密度半导体阵列碳纳米管研究获突破

就是不走 发表于 2020-05-23 22:04
你开心就好,反正这样研究不用你出一毛钱力量。

和我开心不开心有什么关系?
不服气你拿出euv光刻机来啊,拿出来。
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CDer:001112352
发表于 2020-05-24 16:03 | 显示全部楼层

RE: 高密度半导体阵列碳纳米管研究获突破

webweb 发表于 2020-05-23 06:15
目前所有有希望取代硅芯片的科技,基本全是国外领先。
这里的碳纳米管还早的很。

忆阻器...呵呵呵
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CDer:000693257
发表于 2020-05-24 16:15 超大游击队员 | 显示全部楼层
不知道离商品化还有多远
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CDer:000952083
发表于 2020-05-24 18:29 超大游击队员 | 显示全部楼层
A-SET 发表于 2020-05-24 16:03
忆阻器...呵呵呵

碳纳米管,下代主流半导体构型。
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CDer:000979950
发表于 2020-05-25 10:14 | 显示全部楼层
是不是我国要从这方面突破呢。用碳纳米管是不是一样要用到光刻机?
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