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的斟酌人士已经找到了什么样使用碳微米拘押造微型微芯片的办法,并表明其属性超过同等尺寸硅基CMOS场效应晶体三
2020-05-01 23:51

科技世界网     发布时间:2017-06-13    IBM 的研究人员已经找到了如何使用碳纳米管制造微型芯片的方法,这一成果可以让我们制造更强的芯片,使得曲面电脑、可注射芯片成为可能。这个位于纽约 IBM 实验室的团队认为他们 在这种分子水平制造出的芯片,理论上其速度可以达到现有产品的 6-10 倍,终有一天,纳米技术会使得芯片速度快上 1000倍。 IBM研发的新型碳纳米管 这个碳纳米芯片虽可以大幅提高手机、平板的性能,但其能耗却很低,科学家之前曾在《自然》上发表论文,证实纳米芯片可以将电脑的运算能力提高到目前的 1000 倍。我们的碳纳米芯片不仅可以应用在手机、平板上,还可以用在很多方面,例如杀死人体内癌细胞的纳米机器人,雷锋网 此前也有报道过相关新闻。 碳纳米管虽然优点很多,但也存在一些问题。那就是它的尺寸很小、以至于它很难操作。传统芯片将硅切成片,然后按照设计要求对硅片进行蚀刻。但在纳米管上进行这种工艺操作是很困难的。不过我们的IBM 材料学家 George Tulevski 发明了这种方法,它类似于我们用积木搭城堡,利用碳纳米管把芯片搭出来。我们不可能将碳纳米管逐个组合来构成芯片,那么怎么办呢?我们可以采用化学“诱骗”的方法让纳米管自己组装成我们所需要的结构,这一过程更像是晶体的生长过程。这一灵感来自于自然,因为大自然就是这么创造万物的。 = 这就是那神奇的碳芯片 纳米技术在科幻小说中出现已久,但仍未实用。随着科技的发展,纳米技术再度转热,一些紧迫的问题也随着纳米技术的发展而得到解决。就在去年,IBM的一个团队将更多的碳纳米管封装到了一个更小的空间,这就意味着我们将能够制造出更加 强大的芯片。现在已经有一些公司研发出了新型显微镜,使得制造纳米水平的设备变得更加简单。但纳米芯片的商用可能仍需数年。 不少读者可能会联想到同样曾经被誉为“能颠覆硅市场”的石墨烯材料。石墨烯实际上就是摊平了的碳纳米管,前者是第一种由单层原子构成的材料,而将它卷成筒状就成为了碳纳米管。任正非在 2014 年也对石墨烯时代颠覆硅时代充满了信心,但目前这个市场依然没有迎来它的转折点。

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。

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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。

纳米碳材料可以取代计算机芯片中的硅,并改变其他多个行业,但为什么迟迟徘徊在商业化的边缘?

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。

在过去20年中,纳米碳材料已经取得了很大突破——由单个尺寸在1至100纳米之间的物质构成——开创了从纳米计算到智能医疗植入物的广泛可能性。

碳基超越硅基?

由于其独特的强度和导电性,碳纳米材料有可能取代计算机芯片中的硅。

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。

然而,新材料的商业化是非常困难的。将实验室结果用于大规模生产是一个漫长而危险的过程,类似于将新药推向市场。技术障碍以及实验室时间和生产的高昂成本导致很多颠覆性的材料在早期就宣告失败。

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。

对于纳米碳材料,导电性问题和生产挑战意味着——基于碳纳米材料的计算机芯片可能比最初期望的更遥远。

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?

创业公司、研发部门和大学实验室目前都在纷纷研发和推出独特的纳米碳材料。

碳纳米管集成电路的研发优势与发展现状

石墨烯与碳纳米管

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。

由于纳米材料的尺寸较小,因此具有常规散装材料无法比拟的性能,包括高强度重量比以及卓越的电气连接性。

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。

碳基纳米材料 - 特别是石墨烯和碳纳米管——已经显示出作为各种工业材料替代品的巨大潜力。

碳纳米管相对于硅材料的优点:

石墨烯是以蜂窝结构排列的单原子厚碳层。

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。

碳纳米管是以管状结构排列的石墨烯片。

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。

碳纳米管最早是在20世纪90年代初发现的,但是石墨烯在2004年才被曼彻斯特大学的科学家们分离出来。

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。

多年来,石墨烯和碳纳米管已经看到了不同的发展路径,尽管它们具有相似的性质和应用。

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。

石墨烯是有史以来测得的最强的材料。它具有优异的强度重量比,导电性能接近超导体的性能,几乎是透明的。从航空航天到半导体到运动器材,各个行业都在研究如何使用石墨烯来提高性能。

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。

石墨烯气凝胶,世界上最轻的材料之一

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在半导体行业的推动下,CNT相关的研究更加集中。IBM专门投入了大量资源开发用于计算机芯片的碳纳米管。

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

石墨烯风投“退烧”

碳纳米管半导体器件的研究进展:

从2007年到2015年,石墨烯新兴公司的资金稳步增加。然而,2016年的交易和资金下降并没有完全恢复。

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这种下降反映了先进材料开发中典型的吸引力流失,然后技术陷入突破和商业化之间。

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。

这个领域的初创公司正在努力开发特定的石墨烯产品——例如电池、医疗设备和电子产品——或者正在设法有效地生产一般用途的材料。

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。

例如,Vorbeck Materials公司正在为印刷电子市场开发石墨烯基油墨和涂料。该公司的石墨烯产品可用于可穿戴电子产品、RFID、传感器和其他应用。

《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。

在生产方面,获得陶氏风投和三星风投资金的XG Sciences生产和销售石墨烯材料。该公司专有的工艺制造了一小堆称为“纳米片”的石墨烯片,用作各种应用的添加剂。

但是,碳纳米管也有限制,人工制造的碳纳米管是金属特性和半导体特性的混合体.这2种属性的碳纳米管相互“粘连”成绳索状或束状,使得碳纳米管的用途大打折扣,因为只有半导体特性的纳米管才有晶体管性能。现有的制备方法生产出的碳纳米管均为各种手性和不同管径的混合,手性和管径的不同,直接导致导电性质的不同,这使得碳纳米管在大部分实际应用存在许多困难。

CNT相关融资也在下降

彭练矛教授在接受采访时透露,目前IBM在碳纳米管研究方向上采用的是掺杂制备方法,而彭练矛与张志勇课题组采用的是无掺杂制备方法,这是全球首创的,他们课题组经过10多年的研究,开发出无掺杂制备方法,研制的10纳米碳纳米管顶栅CMOS场效应晶体管,其p型和n型器件在更低工作电压(0.4V)下,性能均超过了目前最好的、在更高工作电压(0.7V)下工作的硅基CMOS晶体管。现在,他们又克服了尺寸缩小的工艺限制,成功开发出5纳米栅长碳纳米晶体管,其性能接近了由量子力学原理决定的理论极限。

创业公司也在开发碳纳米管技术,尽管很少有公司进入这个领域。

石墨烯场效应晶体管的研究现状和进展

以碳纳米管为重点的初创企业在2015年后也出现了资金下降,这可能与石墨烯资金骤减的原因相同。经过多年的研发投入,碳纳米管已经遇到了技术障碍。初步突破20年后,仍未被广泛采用。

石墨烯是一种二维碳结构材料,因为其具有零禁带特性,即使在室温下载流子在石墨烯中的平均自由程和相干长度也可为微米级,所以是一种性能优异的导电材料。石墨烯场效应器件最重要的挑战之一是如何增加带隙,而又不降低它非常高的迁移率。

Nantero是资金最丰厚和雄心勃勃的CNT初创公司之一。该公司已经开发出使用CNT的NRAM,希望它将取代DRAM和闪存作为主要的半导体存储设备。

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Nantero认为,CNT技术可用于制造比传统半导体材料密度更高的芯片,大大提高速度和内存。

石墨烯晶体管与传统的硅半导体晶体管相比,有以下特点:

Nantero已将其技术授权给富士通,朝向商业化迈出了一步。但是,在碳纳米管可以广泛用于高端计算领域之前,仍然需要克服技术和市场障碍。

(1)在电场的调控下,石墨烯中的载流子类型能够在电子和空穴间连续变化,具有双极型导电性。因此GFET无法像传统半导体晶体管那样被有效地关闭,不适于作逻镇器件。但采取一些新型的结构也能得到基于石墨締的高开关电流此的器件;

企业更希望开展内部研发活动,而不是开始投资

(2)石墨烯的载流子迁移率很高,而且可W被电场调控,在高频领域,尤其在射频(RF)领域中有很大的应用潜力。

所有主要的半导体公司都在研究用于芯片和电池的石墨烯。根据CBinsights的专利搜索引擎,三星是最大的半导体制造商,拥有超过200种石墨烯相关专利。 2017年末,该公司宣布开发石墨烯电池材料,充电速度比传统电池快5倍。

(3)石墨稀本身为二维材料,有利于缩小电路尺寸和电路的集成。CVD制备的石墨烯可被转移到任意衬底上,有利于制备石墨烯与其他材料的异质结,研究新的物理现象和新的电子器件。

碳纳米管已获得半导体行业和大型科技公司的大量研发投资。 IBM拥有200多项与碳纳米管有关的专利,并且已经投入巨资开发这种材料。

石墨烯优于碳纳米管的是,在制造碳纳米管的工艺中,会生成金属和半导体材料的碳纳米管混合物,在制作复杂电路时,碳纳米管必须经过仔细筛选和定位,目前还没有开发出非常好的方法,而这对石墨烯而言则要容易得多。这种独特的电性能使石墨烯作为一种替代材料在许多新的领域得到应用。

在航空航天领域,石墨烯作为碳纤维等复合材料的添加剂显示出优异的性能。伦斯勒理工学院2010年的一项研究发现,石墨烯性能要优于碳纳米管,可以使复合材料更坚固、更强韧,且不易出现缺陷。

高电子/空穴迁移率和对称的能带结构使得石墨烯非常适合制作高频晶体管,虽然石墨烯导电能力极佳,但它缺乏能隙,即石墨烯中没有“电子态无法存在的禁带”的能量范围,限制了它作为开关器件方面的应用,而石墨烯纳米带(GNR)可以打开石墨烯的能隙,因此,类半导体的GNR引起了人们的极大关注,激发科学家研制全石墨烯电路的广泛兴趣。

空客也已经投资于石墨烯相关研究,并拥有6项石墨烯相关专利。

据报导,曼切斯特大学AndreGeim小组,除了已开发出了10nm级可实际运行的石墨烯晶体管外,他们尚未公布的最新研究成果还有,已研制出长宽均为1个分子的更小的石墨烯晶体管,该石墨烯晶体管实际上是由单原子组成的晶体管。

技术壁垒拖应用后腿

2008年IBM公司的Watson研究中心在世界上率先制成低噪声石墨烯晶体管。普通的纳米器件随着尺寸的减小,被称做1/f的噪音会越来越明显,使器件信噪比恶化,这种现象就是“豪格规则(Hooge'sLaw)”。石墨烯、碳纳米

石墨烯和碳纳米管目前还难以从实验室转移到大规模生产,并发挥其独特的材料特性。

管以及硅材料都会产生该现象,因此,如何减小1/f噪声成为实现纳米元件的关键问题之一。IBM通过重叠2层石墨烯,试制成功了晶体管。由于2层石墨烯之间生成了强电子结合,从而控制了1/f噪音。IBM公司的Ming-YuLin的该发现证明,2层石墨烯有望应用于各种各样的领域。

例如,石墨烯比硅或铜的导电性更好。结合其强度、重量和透明度,石墨烯的导电性使其有可能取代基于硅的计算机芯片,并改善日常电子产品。

2008年5月美国乔治亚科技学院德希尔与麻省理工学院林肯实验室合作在单一芯片上生成的几百个石墨烯晶体管阵列。

但是有一个问题——石墨烯是一种“无缝隙”的半导体,这意味着电流在材料中的流动无法停止。计算机芯片制造商不得不向硅芯片引入“带隙”,这使得用户可以通过停止电子流动来关闭器件。这一过程的困难是商业化的关键障碍。

硅基的微计算机处理器在室温条件下每秒钟只能执行一定数量的操作,然而电子穿过石墨烯几乎没有任何阻力,所产生的热量也非常少。此外,石墨烯本身就是一个良好的导热体,可以很快地散发热量。由于具有优异的性能,由石墨烯制造的电子产品运行的速度要快得多。

相当长一段时间,用于将带隙引入石墨烯的方法效率低下,或者已经改变了材料,相关的优越性能也消失了。

石墨烯器件制成的计算机的运行速度可达到太赫兹,即1×106kHz的1000倍,如果能进一步开发,其意义不言而喻。

2018年4月,由加泰罗尼亚纳米科学和纳米技术研究所领导的科学家介绍了一种生长具有带隙的“石墨烯”材料的方法。在石墨烯在2004年实现初步突破之后,开发石墨烯基芯片的这一重要步骤用了将近15年,证明了新材料开发的难度和需要的时间。

除了让计算机运行得更快,石墨烯器件还能用于需要高速工作的通信技术和成像技术。有关专家认为,石墨烯很可能首先应用于高频领域,如太赫兹波成像,用途之一是用来探测隐藏的武器。速度还不是石墨烯的唯一优点,硅不能分割成小于10nm的小片,否则其将失去诱人的电子性能。与硅相比,石墨烯分割成1nm小片时,其基本物理性能并不改变,而且其电子性能还有可能异常发挥。

碳纳米管具有带隙,使其易于引入计算机芯片——但大规模生产是一个至关重要的问题。

结论:硅材料鹿死谁手还未可知

操纵碳纳米管中数十亿个微小结构是非常困难的,因为必须控制纳米管的取向以利用其独特性质。在广泛采用之前,需要改进生产方法以提供均匀,无缺陷的碳纳米管。

1)硅电子材料的发展已接近顶峰,碳纳米管和石墨烯有比硅材料器件更小的尺寸和更优良的电学性质,很有可能在未来取代硅材料。

市场障碍:硅在计算领域仍然是重头戏

2)碳纳米管性质优良而且发现较早,人们对其制取及构建器件的方法的研究比较深入,并取得了一些成果,足以证明碳纳米管有构建实用微电子器件的条件,但传统的构建器件的方法存在一些问题,而且对不同碳纳米管的分离是最大的挑战,实现碳纳米管集成电路仍需一定时间的探索。

碳纳米材料采用的市场障碍可能比技术难题更具挑战性。新材料在尝试融入现有供应链时面临着怀疑和停滞。

3)石墨烯与碳纳米管一样具有优良的性质,而且构建器件时不必经历复杂的分离过程,比碳纳米管实用性更强,在制备上也取得了一定的突破,但其发现较晚,在器件制备上还有待探索。在未来,二者可能共同成为构成集成电路的主导材料。

负责澳大利亚联邦科学与工业研究组织的物理学家Amanda Barnard2014年接受采访时表示:“我们已经从全球硅芯片中获得了数万亿美元的投资,我们还不会离开这块利润丰厚的领域。”

价值35亿美元的三星半导体制造工厂,美国德克萨斯州 奥斯汀市

在放弃继续投资之前,现有的参与者将会改进现有产品或者忽略新材料。石墨烯对现有材料的全面替代,很可能会经过长时间,才能实现与硅等材料的协同应用。

另一个障碍是标准化。石墨烯委员会最近对60种石墨烯产品的回顾显示,超过75%的产品没有单一的材料特性。如果制造商想要有效销售石墨烯,则需要引入标准化。

此外,如果材料将作为替代品升级,石墨烯的价格将不得不直线下跌。今天的石墨烯稀缺且昂贵,但它需要转变成类似商品的材料,从而成为硅基半导体的可行替代品。

一旦发生这种情况,以石墨烯为重点的创业公司可能无法在价格上竞争。较小的石墨烯初创公司可能会倒闭,或面临半导体制造商的收购。