¿Cuál puede reemplazar al grafeno, al grafeno o al nanómetro de carbono?

Como es sabido por todos, la industria global de circuitos integrados ha estado bajo el "brillo" de la ley de Moore a lo largo de la ruta del silicio, pero cuando el desarrollo principal de la tecnología CMOS a 10 después de los nodos de tecnología nanométrica, el desarrollo posterior de más y más de la leyes de la física y la limitación del costo de fabricación, la ley de Moore podría enfrentar el final.

El 20 de enero, la principal revista científica Nature publicó la práctica del instituto de investigación en electrónica física y lanza del profesor de la universidad de Beijing Peng, subdirector del equipo del Sr.Zhang de un avance de clase mundial en el campo de la electrónica de nanotubos de carbono: preparación de la puerta de nanómetro 5 para el transistores de nanotubos de carbono de alto rendimiento por primera vez, y demostrar su rendimiento más allá del transistor de efecto de campo CMOS de silicio del mismo tamaño, lleve el rendimiento del transistor a la teoría.

¿Grafeno VS nanotubos de carbono para el sucesor del silicio?

El 20 de enero, la principal revista científica Nature publicó la práctica del instituto de investigación en electrónica física y lanza del profesor de la Universidad de Beijing Peng, subdirector del equipo del Sr.Zhang de un avance de clase mundial en el campo de la electrónica de nanotubos de carbono: preparación de la puerta de nanómetro 5 para el transistores de nanotubos de carbono de alto rendimiento por primera vez, y demostrar su rendimiento más allá del transistor de efecto de campo CMOS de silicio del mismo tamaño, lleve el rendimiento del transistor a la teoría.

El 27 de febrero, el canal de noticias CCTV emitió un programa especial "La magia del grafeno", mencionado en el programa, se espera que el grafeno reemplace al silicio, como material principal de la próxima generación de chips. , se espera que supere la esquina de implementación de fabricación de chips, alcanzó el nivel avanzado internacional.

Como es sabido por todos, la industria global de circuitos integrados ha estado bajo el "brillo" de la ley de Moore a lo largo de la ruta del silicio, pero cuando el desarrollo principal de la tecnología CMOS a 10 después de los nodos de tecnología nanométrica, el desarrollo posterior de más y más de la leyes de la física y la limitación del costo de fabricación, la ley de Moore podría enfrentar el final.En más de 20 años, la comunidad científica y la industria ha estado explorando todo tipo de nuevos materiales y nuevas tecnologías, principio de transistor que se espera que reemplace la tecnología CMOS de silicio , pero hasta ahora, ninguna organización puede lograr nuevos dispositivos de 10 nm, y ningún dispositivo nuevo puede tener el mejor rendimiento en más de un verdadero dispositivo CMOS de silicio.

¿Carbono más allá del silicio?

En 2005, la comisión internacional de mapas de ruta de tecnología de semiconductores (ITRS) explícitamente por primera vez alrededor de 2020 la tecnología CMOS de silicio alcanzará su límite de rendimiento. Era de Moore después de que el estudio de la tecnología de circuitos integrados se ha vuelto cada vez más urgente, muchas personas piensan que la microelectrónica La industria después de ir al nodo de siete nanotecnología puede tener que enfrentarse a renunciar a seguir utilizando el silicio como canal de conducción del transistor. En uno de los pocos materiales sustitutos, el nano material de carbono es reconocido como el material de sustitución más probable del silicio.

El material de investigación emergente de ITRS de 2008 y los dispositivos de investigación emergentes que trabajan en el examen de todas las posibles tecnologías alternativas de CMOS de silicio, específicamente recomendadas para la industria de semiconductores que se enfoca en la electrónica basada en carbono, aparecieron como el valor comercial de los próximos 5 a 10 años para la próxima generación de tecnología electrónica. El comité de la fundación científica nacional (NSF) durante más de diez años, además del programa nacional de nanotecnología en los Estados Unidos, continúa brindando un apoyo clave a los nanomateriales de carbono y los dispositivos relacionados; en 2008, ha lanzado el programa "más que la ley de Moore sobre ciencia e ingeniería El proyecto, incluida la investigación de la electrónica de carbono, se enumera como una de las principales prioridades. Seguido por el aumento de la inversión en la investigación de la electrónica basada en el carbono, el programa nacional nano comenzó en 2010 a "2020 años de electrónica a nanoescala" se establece en uno de los tres planes más famosos ( iniciativas de firma) .Además de los Estados Unidos, la Unión Europea y otros gobiernos también adjuntan s gran importancia para los nanomateriales de carbono y la aplicación de investigación y desarrollo relacionados con la electrónica, el diseño y continúan ocupando las alturas dominantes de las áreas centrales de tecnología de la información.

Materiales de nanotubos de carbono, hay dos que tienen más probabilidades de reemplazar al silicio, los nanotubos de carbono y el grafeno. Antes de que el grafeno ganara un Premio Nobel, los nanotubos de carbono se consideraban durante mucho tiempo como los más propensos a reemplazar el material semiconductor de silicio, y ahora, debido al fanatismo de grafeno en el ámbito global, parece haber en lugar de nanotubos de carbono, entonces, grafeno y nanotubos de carbono, ¿quién puede ser de los más altos?

Ventajas de los nanotubos de carbono y situación actual del desarrollo de la investigación y el desarrollo de circuitos integrados

En 1991, el japonés NEC mari dice que el macho claro en un arco de equipo de grafito de inspección de microscopio electrónico de transmisión de alta resolución de moléculas de carbono esféricas, descubrió accidentalmente un nanotubos coaxiales tubulares compuestos de moléculas de carbono, que ahora se conocen como nanotubos de carbono CNT, también conocido como tubo bucky. .

El material de nanotubos de carbono tiene excelentes propiedades eléctricas Los nanotubos de carbono a temperatura ambiente de los portadores de tipo ny p (electrones y agujeros) la movilidad es simétrica, todos pueden alcanzar los 10000 cm2 / (V? S) por encima, mucho más allá de los materiales semiconductores tradicionales Además del diámetro de solo 1 a 3 nm de nanotubos de carbono, es más probable que se abran y se apague la red, el voltaje es muy efectivo.

Las ventajas de los nanotubos de carbono con respecto al silicio:

1) el transporte del portador es unidimensional. Esto significa que reduce el espacio de fase de dispersión del portador, abre la posibilidad de transporte balístico. En consecuencia, bajo consumo de energía.

2) los enlaces químicos de todos los átomos de carbono están vinculados, como resultado, no hay necesidad de un proceso de pasivación química para eliminar similares a los que existen en la superficie de una suspensión de silicio, esto significa que el nanotubo de carbono electrónico no tiene Para utilizar aislamiento de sílice, se pueden utilizar directamente aisladores de alta constante dieléctrica y de cristal.

3) la estructura de enlace covalente fuerte puede hacer que el nanotubo de carbono tenga una alta estabilidad mecánica y estabilidad térmica, y el em tenga buena resistencia, puede soportar la densidad de corriente de hasta 10 a / cm.

4) son las dimensiones clave, es decir, el diámetro se controla mediante una reacción química, en lugar del proceso de fabricación tradicional.

5) en principio, tanto los componentes activos (transistores) como la línea de enlace de interconexión, pueden ser respectivamente por el atributo semiconductor y metálico de los nanotubos de carbono.

¿Grafeno VS nanotubos de carbono para el sucesor del silicio?

El equipo de investigación de la Universidad de Stanford utilizó como se muestra en (a) la preparación de una matriz de nanotubos de carbono como se muestra en (b) de la primera computadora de nanotubos de carbono del mundo; (c) la función principal de imágenes microscópicas electrónicas de barrido unitario

El progreso de la investigación de los dispositivos semiconductores de nanotubos de carbono:

¿Grafeno VS nanotubos de carbono para el sucesor del silicio?

En los últimos años, la investigación basada en nanotubos de carbono de la electrónica basada en carbono ha logrado un rápido desarrollo, y gradualmente desde la investigación básica hasta la aplicación práctica.Gracias a las excelentes propiedades del material en sí y al mundo de las políticas y el apoyo financiero, el personal de investigación y desarrollo En la física de dispositivos, la preparación de dispositivos de nanotubos de carbono, el método de integración, etc. han logrado logros considerables, a la altura de los otros nanomateriales que nunca ha alcanzado.

La investigación indica que, en comparación con los dispositivos electrónicos tradicionales a base de silicio a base de carbono, tienen 5 ~ 10 veces la velocidad y las ventajas de consumo de energía, se pueden lograr bajo el nodo de 5 nm de la tecnología de semiconductores, satisfacen la nueva demanda para el desarrollo de chips semiconductores después de 2020 .Los desarrolladores han implementado la unidad lógica básica con una variedad de funciones, en principio, puede utilizar estas unidades lógicas que se prepararon con alta complejidad de circuito integrado basado en carbono.

La revista Nature, publicada en 2013 por investigadores de la Universidad de Stanford, adopta 178 transistores de nanotubos de carbono hechos a partir de un prototipo de computadora.La revisión de tecnología del MIT informó que los Estados Unidos en 2014, la compañía IBM dijo que lo haría antes del uso de nanotubos de carbono en 2020 por cinco veces más rápido que Los resultados de los chips semiconductores de chip existentes muestran que los resultados de IBM publicados en medios relevantes muestran que el chip semiconductor basado en nanotubos de carbono en términos de rendimiento y consumo de energía son mejores que los chips de silicio tradicionales han mejorado significativamente: la tecnología de semiconductores de silicio de 7 nm a 5 nm de nodo, el correspondiente aumento del rendimiento del chip de aproximadamente un 20%, y 7 nodo de nanotecnología de la tecnología de semiconductores a base de carbono un 300% más alto que el rendimiento de 7 nm a base de silicio, 15 generaciones de mejora de la tecnología a base de silicio.Estos desarrollos hacen que la industria de semiconductores vio el en los albores de la era, se espera que la electrónica basada en carbono continúe mejorando el rendimiento ce de la ley de Moore hasta 2050.

Sin embargo, los nanotubos de carbono tienen limitaciones, los nanotubos de carbono artificiales son una combinación de propiedades de metales y semiconductores. Estas dos propiedades de los nanotubos de carbono se "adhieren" mutuamente en una cuerda o haz, hacen uso de los nanotubos de carbono, porque solo las propiedades eléctricas de los nanotubos tienen transistor El método de preparación existente para producir los nanotubos de carbono es una mezcla de todo tipo de diámetros de tubería quirales y diferentes, la quiralidad y el diámetro de la tubería es diferente, como resultado directo de la conductividad cualitativamente diferente, lo que hace que los nanotubos de carbono, hay muchas dificultades en aplicaciones más prácticas.

El profesor peng lian spear en una entrevista que la dirección de investigación actual de IBM sobre nanotubos de carbono es métodos de preparación mixta, y la práctica de la lanza y el grupo de Zhang Peng USES es una preparación sin dopar, este es el primero en el mundo, su equipo después de 10 años de investigación, desarrolló el método de preparación sin dopar, desarrollado en la puerta superior de 10 nanotubos de carbono CMOS de nano nanotubos fet, el dispositivo tipo p y tipo n bajo el voltaje de trabajo más bajo (0.4 V), rendimiento que el mejor actual y trabajo bajo el voltaje de trabajo más alto ( 0.7 V) transistores CMOS de silicio Ahora, superan el tamaño límite del proceso, desarrollaron con éxito los transistores de nanotubos de carbono de 5 nm de longitud de compuerta, su rendimiento está cerca del límite está determinado por los principios de la teoría de la mecánica cuántica.

El estado y el progreso del grafeno fet

El grafeno es una estructura bidimensional de material de carbono, porque tiene características de banda prohibida cero, incluso si el portador a temperatura ambiente en el camino libre medio del grafeno y la longitud de coherencia también se puede utilizar para el nivel de micras, por lo que es una especie de excelentes materiales conductores. Dispositivo de efecto de campo de grafeno es uno de los desafíos más importantes es cómo aumentar la banda prohibida y no reducir su movilidad es muy alta.

Los transistores de grafeno en comparación con el transistor semiconductor de silicio tradicional, tiene las siguientes características:

(1) bajo el control del campo eléctrico, los tipos de portador en el grafeno a la variación continua entre los electrones y los agujeros, la conductividad eléctrica bipolar. GFET, por lo tanto, no puede gustarle el transistor semiconductor convencional estaba efectivamente cerrado, no es adecuado para la lógica en la ciudad de dispositivos Pero algún nuevo tipo de estructura podría basarse en el grafito que asocia una alta corriente de conmutación del dispositivo;

(2) la movilidad del portador de grafeno es muy alta, pero también W por el control del campo eléctrico, en el campo de la alta frecuencia, especialmente en el campo de la radiofrecuencia (RF) tiene un gran potencial de aplicación.

(3) para el grafeno de material bidimensional en sí, reduzca el tamaño del circuito y el circuito integrado.La preparación de CVD de grafeno se puede transferir a cualquier sustrato, es ventajosa para la preparación de grafeno y otros materiales de heterounión, estudiar nuevos fenómenos físicos y nuevos componentes electrónicos. dispositivos.

El grafeno es mejor que el de los nanotubos de carbono, en el proceso de fabricación de nanotubos de carbono, genera la mezcla de metal y material semiconductor de nanotubos de carbono, haciendo un circuito complejo, los nanotubos de carbono deben ser cuidadosamente seleccionados y posicionados, no ha desarrollado un método muy bueno, que es mucho más fácil para el grafeno. Este rendimiento único hace que el grafeno como material alternativo se haya aplicado en muchas áreas nuevas.

La alta movilidad de electrones / huecos y la simetría de la estructura de la banda permiten que el grafeno sea muy adecuado para la producción de transistores de alta frecuencia, aunque la capacidad conductora del grafeno es admirable, pero carece de la brecha de energía, es decir, el grafeno sin la banda prohibida "en" estado electrónico puede ' t rango de energía, ya que los dispositivos de conmutación limitan sus aplicaciones, y el nano cinturón de grafeno (GNR) puede abrir la brecha de energía del grafeno, como resultado, la clase de semiconductor GNR ha atraído una gran atención, inspira a los científicos un interés generalizado en el desarrollo del conjunto circuito de grafeno.

El grupo AndreGeim informó que la Universidad de Manchester, además de haber desarrollado un nivel de 10 nm fuera del funcionamiento real de los transistores de grafeno, y aún no han anunciado los últimos resultados de la investigación, se ha desarrollado el ancho de un transistores de grafeno molecular más pequeño, el transistor de grafeno es en realidad compuesto por un transistor de un solo átomo.

En 2008, el centro de investigación Watson de IBM en el mundo hizo los primeros transistores de grafeno de bajo ruido.Dispositivo nano ordinario con la disminución del tamaño, llamado ruido 1 / f será cada vez más obvio, empeorará el dispositivo SNR, este fenómeno es la regla. de "hogg (Hooge 'sLaw)". Grafeno y nanotubos de carbono

El tubo y el material de silicona pueden producir el fenómeno, por lo tanto, cómo reducir el ruido 1 / f se convierte en uno de los problemas clave para realizar un elemento nanométrico. IBM mediante la superposición de 2 capas de grafeno, produjo con éxito el transistor. combinación entre capas de grafeno, que controlan el ruido 1 / f. Ming - YuLin de IBM, los hallazgos demuestran que se espera que se apliquen 2 capas de grafeno a varios campos.

En mayo de 2008, el instituto de tecnología de Georgia se unió al laboratorio Lincoln del instituto de cooperación tecnológica de Massachusetts en un solo chip para generar cientos de conjuntos de transistores de grafeno.

Los procesadores de microcomputadoras de silicio a temperatura ambiente solo pueden realizar una cierta cantidad de operaciones por segundo, pero el electrón a través del grafeno casi no tiene resistencia, el calor generado también es muy menor.Además, el grafeno es en sí mismo un buen conductor de calor, puede enviar rápidamente cantidad de calor Debido al excelente rendimiento, la electrónica de grafeno funciona mucho más rápido.

Los dispositivos de grafeno hechos de la velocidad de funcionamiento de la computadora pueden alcanzar los terahercios, es decir, 1 x 106 KHZ 1000 veces, si podemos seguir desarrollando, su importancia es evidente.

Además de que la computadora funcione más rápido, también se puede usar para dispositivos de grafeno que necesitan tecnología de comunicación de trabajo de alta velocidad y tecnología de imágenes. El experto preocupado piensa que el grafeno puede aplicarse primero al campo de alta frecuencia, como la imagen de onda THZ, uno de los propósitos. se utiliza para detectar el arma oculta.La velocidad no es la única ventaja del grafeno, el silicio no se puede dividir en piezas pequeñas de menos de 10 nm, de lo contrario perderá sus propiedades electrónicas.Comparado con el silicio, el grafeno dividido en películas pequeñas de 1 nm, el Las propiedades físicas básicas no cambian, pero es probable que se reproduzcan sus propiedades electrónicas.

Conclusión: la lucha del silicio aún está por verse

1) el desarrollo de material electrónico de silicio está cerca de la cima, los nanotubos de carbono y el grafeno tienen un tamaño más pequeño que los dispositivos de silicio y propiedades eléctricas más excelentes, es probable que reemplace los materiales de silicio en el futuro.

2) nanotubos de carbono excelentes propiedades y encontrar que cuanto antes, los métodos de su fabricación y construir más profundamente, y algunos logros lograron, suficiente para demostrar que los nanotubos de carbono han construido las condiciones prácticas del dispositivo microelectrónico, pero existen algunos problemas en el tradicional método de construcción de componentes, y la separación de diferentes nanotubos de carbono es uno de los mayores desafíos, el circuito integrado de nanotubos de carbono todavía necesita algo de tiempo para explorar.

3) El grafeno y los nanotubos de carbono como excelentes propiedades, y el dispositivo de construcción no tuvo que pasar por un proceso de separación complejo, más fuerte en la práctica, que los nanotubos de carbono también han logrado ciertos avances en la preparación, pero se encuentra tarde, en los dispositivos nanoelectrónicos queda por En el futuro, podrían convertirse juntos en el material dominante del circuito integrado.

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