江苏龙网

  1. 首页 > 人文 > >

半导体|中国碳基半导体研究团队再登顶刊！为3nm制程提供另一种选择( 二 )


我国的碳纳米材料研发起步较早 ， 近期北大团队的研究成果更是在全世界范围内“先声夺人” 。 在“自研”的重要性被外力无限放大的今天 ， 碳纳米管技术方面的优势不容忽视 。
碳纳米管半导体到底是什么？用碳纳米管做替代可行吗？这是不是一招妙棋？这就是智东西今天要回答的问题 。
一、偶然被发现的半导体产业“明日之子”半导体早期发展阶段 ， 晶体管由锗制作 。 发现锗材料制成的芯片难以承受高温工作条件后 ， 研究人员翻开元素周期表 ， 选出与锗属于同族、储量更足、耐热性更好的硅成为替代 。
相比硅材料的“按图索骥” ， 碳基半导体材料被发现要偶然得多 。 碳纳米管由碳分子管状排列而成 ， 可看作是由单层石墨卷成了一个“圆筒” ， 需要由石墨棒等碳材料经特殊方法制备而成 。
1991年 ， 日本物理学家饭岛澄男就职于日本筑波市的NEC（日本电气）基础研究所 ， 专长于纳米科学、电子显微镜学等领域 。
当时 ， 饭岛用高分辨透射电子显微镜 ， 观测用电弧法产生的碳纤维产物 ， 意外发现了碳纳米管 。 饭岛澄男曾在美国、日本指导大量中国学生 ， 2011年 ， 饭岛澄男当选为中国科学院外籍院士 。
▲饭岛澄男
通过对碳纳米管材料的研究 ， 人们发现它具有相比硅基材料更为优异的半导体特性 ， 特别是在高迁移率、纳米尺寸、柔性、通透性、生物可兼容性方面 。 这些优异特性意味着碳基集成电路将具备高速率、高能效的优势 。
基于上述性能优势 ， 相比硅基晶体管 ， 碳纳米管晶体管具有5～10倍的速度和能耗优势 ， 适合用于高端电子学应用、高频器件应用、光通讯电路应用、柔性薄膜电子学应用 。
二、二十余年成长史：IBM/斯坦福纷纷入局饭岛澄男的发现开启了对碳纳米管这种材料的研究 ， 也为碳纳米管的半导体应用买下伏笔 。 在实际应用方面 ， IBM是“第一个吃螃蟹的勇士” 。
1998年 ， IBM研究人员制作出首个可工作的碳纳米管晶体管 。 从那以后很长时间 ， IBM一直对碳纳米管晶体管表现出浓厚兴趣 。
2012年 ， IBM研究人员制造出一个沟道长度为9nm的碳纳米管晶体管 。 这是世界上首个可以在10nm节点以下工作的晶体管 。 同年 ， IBM基于标准半导体制程 ， 研究出将超1万个碳纳米管晶体管集成到一颗芯片中的技术 。
▲IBM制备的9nm沟道长度碳纳米管晶体管示意图
2014年 ， IBM更是抛出豪言壮语 ， 称要在2020年之前利用碳纳米管制备出比其时芯片快5倍的半导体芯片 。 2017年 ， IBM研究将碳纳米管晶体管尺寸推进40nm 。 IBM还曾组建一支专攻碳纳米管半导体技术研发的团队 ， 就在IBM的T·J·华盛顿研究中心 ， 由Wilfried Haensch领导 。
▲IBM碳纳米管项目负责人Wilfried Haensch
除IBM外 ， 斯坦福、麻省理工、英特尔等机构也纷纷上马碳纳米管技术研究 。
2013年 ， 斯坦福大学研究团队用178个碳纳米管晶体管制造出一个碳基芯片 。 当时 ， 斯坦福研究人员评论称：也许有一天硅谷会变成碳谷 。
▲斯坦福大学2013年制造出的碳基芯片
2015年 ， 英特尔科技分析师Rob Willoner透露 ， 英特尔正考虑在未来芯片技术中使用碳纳米管晶体管 。
2019年 ， 麻省理工学院研究人员与芯片制造商Analog Devices合作 ， 制造出全球首个全功能、可编程的16位RISC-V架构碳基处理器 。 该处理器能够完整地执行整套指令集 。 它还执行了经典的“Hello ， World！”程序的修改版本 ， 打出了“Hello World！I am RV16XNano ， made from CNTs（你好 ， 世界！我是RV16XNano ， 由碳纳米管制成）” 。
▲麻省理工研究团队制造出的16位RISC-V架构碳基处理器
2019年7月 ， DARPA召开“电子复兴计划” 。 斯坦福–麻省理工的碳纳米管项目获得资助 。


推荐阅读


上一篇：播报热文|企业发展的优质之选，合从在线客服

下一篇：教室|破解公司指纹机，从没迟到，有天喝多了，给自己充了半年的指纹