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穆尔定律放缓 石墨烯3D芯片能继续美半导体收音机荣光

石墨烯芯片还存在很多问题

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。

二、首个打破物理极限的1nm晶体管诞生

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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。

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可见此时引入新的材料并不能解决电子工业面临的问题,何况以石墨烯构建芯片还面临着与旧生态不兼容、加工困难的问题。事实上,半导体电子管诞生初期就有过是不是应该用功耗更低的锗来做半导体的基材的讨论。最后因为成本以及硅电路过去的积累最终使产业界放弃了这一打算。

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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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。

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石墨烯晶体管与传统的硅半导体晶体管相比,有以下特点:

九、首块纳米晶体“墨水”制成的晶体管问世

事实显然不是这样,现今CPU综合性能上不去有复杂度太大的原因,有主频难以继续提高的原因,也有芯片功耗障碍的原因和带宽障碍的原因。这些原因都不是因为硅半导体本身的材料问题造成的。

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。

美国研究人员于9月6日宣布,他们成功制备出一种碳纳米晶体管,其性能首次超越现有硅晶体管,有望为碳纳米晶体管将来取代硅晶体管铺平道路。硅是目前主流半导体材料,广泛应用于各种电子元件。但受限于硅的自身性质,传统半导体技术被认为已经趋近极限。碳纳米管具有硅的半导体性质,科学界希望利用它来制造速度更快、能耗更低的下一代电子元件,使智能手机和笔记本电脑等设备的电池寿命更长、无线通信速率和计算速度更快。但长期以来,碳纳米管用作晶体管面临一系列挑战,其性能一直落后于硅晶体管和砷化镓晶体管。美国威斯康星大学麦迪逊分校的研究人员在美国《科学进展》杂志上介绍了他们克服的多重困难。

笔者认为,现在说石墨烯3D芯片取代传统硅芯片还有许多困难,该团队的宣传无疑存在相当的水分。

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。

德国慕尼黑工业大学(Technical University of
Munich;TUM)的研究人员合成了一种高度弹性的无机半导体材料——SnIP,最特别的是它具有像DNA的双螺旋结构。

2017年这次Max教授的研究成果之所以受人瞩目,一方面是因为芯片中集成的碳纳米晶体管数极大地增加到200多万个,另一方面是因为”电子复兴计划”宣称该团队的成果有望以更低的成本实现50倍的性能提升。

(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。

7月份,中国科技大学郭光灿院士领导的中科院量子信息重点实验室任希锋研究组与浙江大学戴道锌教授合作,首次研制成功硅基导膜量子集成芯片,他们在硅光子集成芯片上利用硅纳米光波导中不同的能量传输模式,作为量子信息编码的新维度,实现了单光子态和量子纠缠态在偏振、路径、波导模式等不同自由度之间的相干转换,其干涉可见度均超过90%,为集成量子光学芯片上光子多个自由度的操纵和转换提供了重要实验依据。

该教授2017年发表在《自然》杂志论文中报告的芯片,拥着四个集成电路层,并拥有5个子系统。其中负责实验样品蒸汽数据采集、传输和处理的部分是碳纳米晶体管构建的,而电阻随机存储单元(RRAM)和接口电路是由硅晶体管构建的。毫无疑问,这是一个组合型的气味探测芯片,而不仅仅是碳纳米晶体管构成的。

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。

七、德国开发出新型有机无机杂化“人工树叶”

之所以人们会想用石墨烯以取代现有的硅半导体作为芯片的材料,用Max教授的2013年的话说就是:”与传统晶体管相比,碳纳米管体积更小,传导性也更强,并且能够支持快速开关,因此其性能和能耗表现也远远好于传统硅材料”。

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。

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2017年Max教授再次于《自然》杂志发文提出单芯片上三维集成的计算和存储模型,也是在这篇文章中产生了石墨烯制造的碳纳米管3D芯片这一概念。

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一、硅基导模量子集成光学芯片研制成功

(Max Shulaker教授像)

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

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最后一类关注整合材料的问题,即制造芯片材料的整合问题,包括3D片上系统(3dSoC)和新计算基础需求分析(FRANC)。

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?

一氧化锡这个“小鲜肉”由犹他大学材料科学和工程学副教授艾舒托什·蒂瓦里领导的研究团队发现,它由锡和氧元素组成。目前,电子设备内的晶体管和其他元件由硅等三维材料制成,一个玻璃基层上包含有多层三维材料。但三维材料的缺陷在于,电子会在层内的各个方向四处弹跳。蒂瓦里解释道,而二维材料的优势在于,其由厚度仅为一两个原子的一个夹层组成,电子只能在夹层中移动,所以移动速度更快。

负责此次3D芯片项目的是麻省理工学院的明星教授Max
Shulaker,Max教授早在斯坦福大学就读博士时就有惊人的理论成果。他所在的团队开发出了世界上第一台基于碳纳米晶体管技术的计算机,并将成果公布在著名的《自然》杂志上。

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。

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Max教授在他近期的论文中宣称:”该芯片的RRAM和碳纳米晶体管在200度下制造,而传统的工艺需要1000度”。低温有助于大大增加集成电路层之间的纵向联系,按该论文的说法,石墨烯3D芯片的纵向联系比传统方式增加了1000倍。而这种联系有助于解决大型集成电路元件中带宽障碍的问题。

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。

石墨烯只有一层原子那么厚,具有无可比拟的导电性。全世界的专家们都在畅想石墨烯在未来电路中的应用。尽管有那么多的超凡属性,石墨烯却没有能隙(energy
gap)。不同于普通的半导体,它的化学表现更像是金属。这使得它在类似于晶体管的应用上前景黯淡。这项新发现证明,硒化铟晶体可以做得只有几层原子那么薄。它已表现出大幅优于硅的电子属性。而硅是今天的电子元器件(尤其是芯片)所普遍使用的材料。更重要的是,跟石墨烯不同,硒化铟的能隙相当大。这使得它做成的晶体管可以很容易地开启/关闭。这一点和硅很像,使硒化铟成为硅的理想替代材料。人们可以用它来制作下一代超高速的电子设备。

而该团队确实在宣传上也非常喜欢浮夸的风格,在论文中动辄宣称比现有的方法提升若干倍。在一篇讨论碳纳米晶体管设计中的文章中甚至宣称比现有的方案有了至少100倍的提升。因此所谓50倍的性能提高也是非常值得怀疑的。返回搜狐,查看更多

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。

晶体管是电子设备的基本元件,但其构造过程非常复杂,需要高温且高度真空的条件。美韩科学家在《科学》杂志上报告了一种新型制造方法,将液体纳米晶体“墨水”按顺序放置。他们称,这种效应晶体管或可用3D打印技术制造出来,有望用于物联网、柔性电子和可穿戴设备的研制。

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