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¿Cómo se descomponen los semiconductores a base de carbono?
Durante el pasado medio siglo, la industria semiconductora ha estado siguiendo la trayectoria de la ley de Moore para desarrollarse a una velocidad alta. Hoy en día, el método para mejorar el rendimiento de los chip simplemente al actualizar el proceso ya no puede satisfacer las necesidades de los tiempos, y la industria de los semiconductores ha entrado gradualmente en la "Era Post-Moore". El advenimiento de la era posterior a Moore ha traído nuevas oportunidades de desarrollo para el desarrollo de la industria del circuito integrado de China. China Electronics News ha lanzado una serie de informes sobre "Explorar las tecnologías disruptivas de los circuitos integrados en la ERA posterior a Moore" para resolver las posibles tecnologías disruptivas de los circuitos integrados. Discutir el estado de desarrollo, los problemas industriales y las perspectivas futuras de cada tecnología.
Con el proceso de fabricación de chip que se aproxima a 2 nanómetros, básicamente se ha aprovechado el potencial de los materiales de los micrófonos a base de silicio, y no puede satisfacer las necesidades del desarrollo futuro de la industria. El uso de nuevos materiales se reconoce como una solución fundamental para problemas de desempeño. Si la ley de Moore realmente falla, es probable que las fichas basadas en silicio que se están acercando gradualmente a los límites físicos en una situación en la que no haya una manera de salir de la duda. En este caso, ¿serán los semiconductores basados en carbono el Salvador que nos mostrará la escena de "un nuevo pueblo"? En esta etapa, cómo los semiconductores basados en carbono pueden salir de la "sala de vidrio" del laboratorio y realmente se dan cuenta de que su potencial sigue siendo el foco de atención y dificultades que enfrentan la industria.
Los semiconductores a base de carbono tienen ventajas únicas.
Después de la Ley de Moore, la "Regla de Oro" de la industria semiconductora, el desempeño de los chips de semiconductores con sede en silicio se duplicará cada 18 a 24 meses. Sin embargo, como los tamaños de chip continúan reduciéndose, especialmente cuando el nivel de tecnología de fabricación de chips ingresa al nodo de 5 nanómetros, el desarrollo de chips de silicio comienza a enfrentar muchas restricciones físicas, y la industria ha surgido gradualmente "La ley de Moore está muerta" y " La tecnología con sede en silicona ha llegado a su fin ". Y otras vistas. Se considera que los semiconductores a base de carbono son una de las tecnologías disruptivas en la era posterior a Moore.
El semiconductor a base de carbono es un material semiconductor desarrollado sobre la base de nanomateriales a base de carbono, representados por nanotubos de carbono (CNT) y grafeno. El Informe de Investigación de ITRS ha señalado claramente que el foco de investigación futuro de la industria semiconductora debe centrarse en la electrónica a base de carbono.
Para continuar con la Ley de Moore, los investigadores han continuado explorando nuevos materiales y nuevas estructuras de dispositivos. En comparación con la tecnología tradicional basada en silicio, ¿qué ventajas realiza los semiconductores basados en carbono, que han atraído a innumerables investigadores científicos "Compite"?
El personal técnico del Instituto de Investigación Integrado de Circuito de Circuito de Beijing, informó anteriormente al reportero de "Noticias de China Electronics" que la tecnología basada en carbono tiene un mejor rendimiento y un menor consumo de energía que la tecnología con sede en silicona. Por ejemplo, se espera que los chips a base de carbono que utilizan el proceso de 90 nanómetros produzcan fichas a base de silicio con el rendimiento y la integración equivalente al nodo de tecnología de 28 nanómetros y los chips a base de carbono que usan el proceso de 28 nanómetros pueden alcanzar la base de silicona. Chips equivalente al nodo de tecnología de 7 nanómetros.
MA YAOBIN, un investigador en el Instituto de Circuitos Integrados, Think Tank CCID, tomó nanotubos de carbono como ejemplo para mostrar a los reporteros de China Electronics News sobre las ventajas tecnológicas de los semiconductores basados en carbono. "CNT (nanotube de carbono) tiene una movilidad de transporte extremadamente alta, tamaño corporal muy delgado y excelente conductividad térmica. En comparación con los procesadores de silicio, la velocidad de funcionamiento y el consumo de energía de los procesadores basados en CNFET pueden tener unos 3%. La ventaja de dos veces, es decir, la ventaja del producto de retardo de energía (EDP) de aproximadamente 9 veces ". MA YAOBIN dijo a los periodistas.
El uso de materiales de grafeno también es una prueba sólida de las ventajas de los semiconductores a base de carbono. MA YAOBIN señaló a los reporteros que el grafeno tiene excelentes características, como la alta movilidad del transportista y la buena conductividad térmica, lo que permite a los transistores de grafeno obtener una alta velocidad de transmisión de señal y una buena disipación de calor. En el futuro, se espera que el grafeno juegue un papel importante en la realización de chips de tamaño más pequeño, la interconexión del paquete 3D y la optimización de la disipación de calor de chip.
El amanecer de la tecnología de nanotube de carbono.
De hecho, la búsqueda y exploración de las personas de materiales semiconductores a base de carbono no solo se han iniciado en los últimos años. La tecnología de nanotubos de carbono que utiliza nuevos materiales siempre ha atraído la atención de innumerables científicos. En 1991, el físico japonés Sumio IIJIMA, quien ha sido elegido como un académico extranjero de la Academia de Ciencias China, descubrió inesperadamente nanotubos de carbono cuando usó un microscopio electrónico de transmisión de alta resolución para observar los productos de fibra de carbono producidos por el método de arco. Según sus observaciones, los nanotubos de carbono están hechos de moléculas de carbono dispuestas en forma tubular, que se puede considerar como una única capa de grafito enrollada en un "cilindro", que debe prepararse a partir de materiales de carbono, como varillas de grafito por parte de un especial. método.
En agosto de 2019, un resultado de investigación de nanotubos de carbono una vez más hizo que la cadena "Hello, World" de personajes familiares para cada programador una sensación global. Un artículo publicado en la revista Nature mostró que Max Shialker y sus colegas en el Instituto de Tecnología de Massachusetts en los Estados Unidos lograron diseñar y construir un microprocesador de nanotubos de carbono. Este microprocesador es un microprocesador de 16 bits fabricado con más de 14,000 transistores de nanotubos de carbono (CNT). Su método de diseño y fabricación supera los desafíos anteriores relacionados con los nanotubos de carbono y se espera que sea el silicio en dispositivos microelectrónicos avanzados. Trae una alternativa de alto rendimiento. Este microprocesador se llamó "rv16x-nano" y ejecutó con éxito un programa en la prueba, generando un mensaje: "¡Hola, mundo! Soy rv16xnano, hecho de nanotubos de carbono".
MA YAOBIN dijo a los reporteros que los investigadores de TSMC, la Universidad de Stanford y la Universidad de California, San Diego también desarrollaron conjuntamente un CNFET de la puerta superior (transistor de efecto de campo de nanotubos de carbono) con una longitud de la puerta de 10nm y un columpio de subthreshold de 68MV / DEC.
El año pasado, el equipo de académicos de la Academia de Ciencias y Profesores China del Departamento de Electrónica de la Universidad de Pieking Peng Peng Lianmao y las principales investigaciones del profesor Zhang Zhiyong, los principales resultados de los materiales semiconductores de carbono también dieron a la industria la nueva esperanza en la era posterior a la mero. . El 22 de mayo, 2020, el equipo publicó un papel "Semiconductor de alta densidad de carbono nanotube en paralelo para electrónica de alto rendimiento" en la revista Science, introduciendo el último desarrollo del equipo de múltiples métodos de autoajuste de purificación y dimensión. El método resuelve los problemas de pureza, densidad y área del material que han plagado durante mucho tiempo la preparación de materiales semiconductores a base de carbono.
El progreso de la investigación sobre semiconductores basados en carbono no siempre es la navegación suave. Después de las "grandes olas", la investigación en este campo de algunas instituciones y empresas se ha estancado. Tan pronto como 2014, IBM hizo una retórica audaz, diciendo que usaría nanotubos de carbono para producir chips 5 veces más rápido que entonces para 2020, pero no existe un mayor progreso en la investigación y el desarrollo.
Los circuitos a base de carbono y basados en silicio deben ser desarrollados de manera diferente
Aunque los semiconductores basados en carbono representados por los nanotubos de carbono y el grafeno tienen muchas ventajas técnicas y el potencial de mercado es obvio para todos, todavía hay muchas dificultades en la producción de alta calidad, la producción en masa y la aplicación práctica de los semiconductores a base de carbono.
No es fácil para los tubos de carbono formar películas delgadas para procesar los circuitos VLSI. El profesor Wan Qing de la Escuela de Ciencia Electrónica e Ingeniería de la Universidad de Nanjing expresó su opinión al reportero de "Noticias de China Electronics": si es un crecimiento direccional direccional, es difícil obtener una película de tubos de carbono semiconductores semiconductores de alta densidad; Para satisfacer las necesidades de la tecnología integrada integrada de gran escala de área nano a gran escala (12 pulgadas), la fabricación de masas y el rendimiento del producto pueden convertirse en desafíos.
Wan Qing cree que, aunque un solo dispositivo basado en carbono ya está haciendo bien, en comparación con los circuitos integrados de silicio, los semiconductores a base de carbono aún tienen ciertos problemas en la integración de ultra a escala de escala y el rendimiento industrial nano a escala. En términos de aplicaciones de circuitos integrados convencionales, es posible que los circuitos de los tubos de carbono no puedan competir con los circuitos basados en silicio en la actualidad, por lo que los semiconductores basados en carbono pueden necesitar un desarrollo diferenciado. En el futuro, se espera que encuentre una salida en nuevos campos, como detección y sistemas flexibles.
MA YAOBIN dijo a los reporteros que la preparación por lotes de pureza semiconductora ultra-alta (99.9999%), en línea (ángulo de orientación <9°), high density (100-200/μm), and large-area uniform CNT array film currently exists. Difficulties, which hinder the rapid application of CNFET in the field of integrated circuits. "In terms of purity, the current prepared CNTs will have the symbiosis phenomenon of semiconductors and metal CNTs, and the appearance of metal CNTs will cause serious degradation of the electrical performance of devices and chips." Ma Yaobin said.
En lo que respecta a el grafeno, Ma Yabin dijo que la característica de espacio de banda cero del grafeno intrínseco hace que la relación de interruptor de transistor de grafeno sea muy pequeño, que también limitará la aplicación de semiconductores basados en carbono en circuitos lógicos.
Desde el "valor ideal" del laboratorio hasta la aplicación a gran escala en el mercado, el camino hacia la industrialización de los semiconductores a base de carbono es largo y difícil. Xu Zheng, profesor en la Escuela de Ciencias de la Universidad de Jiaotong de Beijing, le dijo al reportero de las "Noticias de Electronics China" que en la actualidad, los materiales semiconductores a base de carbono han logrado propiedades físicas, pero para hacer dispositivos, necesitan sufrir un montón de Pulido de procesos. "La realización de la tecnología y la garantía del rendimiento de los costos son los requisitos previos para la industrialización de semiconductores a base de carbono". A pesar de las dificultades y los desafíos, Xu Zheng todavía está lleno de esperanza para el futuro de los semiconductores a base de carbono. "Si se mejora el nivel de desarrollo de equipos relacionados, la industria semiconductora basada en carbono puede con el apoyo de los equipos industrializados, es posible que los semiconductores con carbono alcancen el desarrollo a gran escala e industrializada".
En el largo viaje de abordar semiconductores a base de carbono, la industria debe cultivar habilidades internas y formar una acumulación sistemática de tecnología. Hace unos días, el equipo académico Peng Lianmao también expresó la voluntad de hacer las cosas de baja clave para los reporteros. Esto puede explicar desde el lado de que si la industria semiconductora basada en carbono es lograr un mayor desarrollo, la industria aún debe concentrarse en la investigación y el desarrollo y ser la tierra.
Con el proceso de fabricación de chip que se aproxima a 2 nanómetros, básicamente se ha aprovechado el potencial de los materiales de los micrófonos a base de silicio, y no puede satisfacer las necesidades del desarrollo futuro de la industria. El uso de nuevos materiales se reconoce como una solución fundamental para problemas de desempeño. Si la ley de Moore realmente falla, es probable que las fichas basadas en silicio que se están acercando gradualmente a los límites físicos en una situación en la que no haya una manera de salir de la duda. En este caso, ¿serán los semiconductores basados en carbono el Salvador que nos mostrará la escena de "un nuevo pueblo"? En esta etapa, cómo los semiconductores basados en carbono pueden salir de la "sala de vidrio" del laboratorio y realmente se dan cuenta de que su potencial sigue siendo el foco de atención y dificultades que enfrentan la industria.
Los semiconductores a base de carbono tienen ventajas únicas.
Después de la Ley de Moore, la "Regla de Oro" de la industria semiconductora, el desempeño de los chips de semiconductores con sede en silicio se duplicará cada 18 a 24 meses. Sin embargo, como los tamaños de chip continúan reduciéndose, especialmente cuando el nivel de tecnología de fabricación de chips ingresa al nodo de 5 nanómetros, el desarrollo de chips de silicio comienza a enfrentar muchas restricciones físicas, y la industria ha surgido gradualmente "La ley de Moore está muerta" y " La tecnología con sede en silicona ha llegado a su fin ". Y otras vistas. Se considera que los semiconductores a base de carbono son una de las tecnologías disruptivas en la era posterior a Moore.
El semiconductor a base de carbono es un material semiconductor desarrollado sobre la base de nanomateriales a base de carbono, representados por nanotubos de carbono (CNT) y grafeno. El Informe de Investigación de ITRS ha señalado claramente que el foco de investigación futuro de la industria semiconductora debe centrarse en la electrónica a base de carbono.
Para continuar con la Ley de Moore, los investigadores han continuado explorando nuevos materiales y nuevas estructuras de dispositivos. En comparación con la tecnología tradicional basada en silicio, ¿qué ventajas realiza los semiconductores basados en carbono, que han atraído a innumerables investigadores científicos "Compite"?
El personal técnico del Instituto de Investigación Integrado de Circuito de Circuito de Beijing, informó anteriormente al reportero de "Noticias de China Electronics" que la tecnología basada en carbono tiene un mejor rendimiento y un menor consumo de energía que la tecnología con sede en silicona. Por ejemplo, se espera que los chips a base de carbono que utilizan el proceso de 90 nanómetros produzcan fichas a base de silicio con el rendimiento y la integración equivalente al nodo de tecnología de 28 nanómetros y los chips a base de carbono que usan el proceso de 28 nanómetros pueden alcanzar la base de silicona. Chips equivalente al nodo de tecnología de 7 nanómetros.
MA YAOBIN, un investigador en el Instituto de Circuitos Integrados, Think Tank CCID, tomó nanotubos de carbono como ejemplo para mostrar a los reporteros de China Electronics News sobre las ventajas tecnológicas de los semiconductores basados en carbono. "CNT (nanotube de carbono) tiene una movilidad de transporte extremadamente alta, tamaño corporal muy delgado y excelente conductividad térmica. En comparación con los procesadores de silicio, la velocidad de funcionamiento y el consumo de energía de los procesadores basados en CNFET pueden tener unos 3%. La ventaja de dos veces, es decir, la ventaja del producto de retardo de energía (EDP) de aproximadamente 9 veces ". MA YAOBIN dijo a los periodistas.
El uso de materiales de grafeno también es una prueba sólida de las ventajas de los semiconductores a base de carbono. MA YAOBIN señaló a los reporteros que el grafeno tiene excelentes características, como la alta movilidad del transportista y la buena conductividad térmica, lo que permite a los transistores de grafeno obtener una alta velocidad de transmisión de señal y una buena disipación de calor. En el futuro, se espera que el grafeno juegue un papel importante en la realización de chips de tamaño más pequeño, la interconexión del paquete 3D y la optimización de la disipación de calor de chip.
El amanecer de la tecnología de nanotube de carbono.
De hecho, la búsqueda y exploración de las personas de materiales semiconductores a base de carbono no solo se han iniciado en los últimos años. La tecnología de nanotubos de carbono que utiliza nuevos materiales siempre ha atraído la atención de innumerables científicos. En 1991, el físico japonés Sumio IIJIMA, quien ha sido elegido como un académico extranjero de la Academia de Ciencias China, descubrió inesperadamente nanotubos de carbono cuando usó un microscopio electrónico de transmisión de alta resolución para observar los productos de fibra de carbono producidos por el método de arco. Según sus observaciones, los nanotubos de carbono están hechos de moléculas de carbono dispuestas en forma tubular, que se puede considerar como una única capa de grafito enrollada en un "cilindro", que debe prepararse a partir de materiales de carbono, como varillas de grafito por parte de un especial. método.
En agosto de 2019, un resultado de investigación de nanotubos de carbono una vez más hizo que la cadena "Hello, World" de personajes familiares para cada programador una sensación global. Un artículo publicado en la revista Nature mostró que Max Shialker y sus colegas en el Instituto de Tecnología de Massachusetts en los Estados Unidos lograron diseñar y construir un microprocesador de nanotubos de carbono. Este microprocesador es un microprocesador de 16 bits fabricado con más de 14,000 transistores de nanotubos de carbono (CNT). Su método de diseño y fabricación supera los desafíos anteriores relacionados con los nanotubos de carbono y se espera que sea el silicio en dispositivos microelectrónicos avanzados. Trae una alternativa de alto rendimiento. Este microprocesador se llamó "rv16x-nano" y ejecutó con éxito un programa en la prueba, generando un mensaje: "¡Hola, mundo! Soy rv16xnano, hecho de nanotubos de carbono".
MA YAOBIN dijo a los reporteros que los investigadores de TSMC, la Universidad de Stanford y la Universidad de California, San Diego también desarrollaron conjuntamente un CNFET de la puerta superior (transistor de efecto de campo de nanotubos de carbono) con una longitud de la puerta de 10nm y un columpio de subthreshold de 68MV / DEC.
El año pasado, el equipo de académicos de la Academia de Ciencias y Profesores China del Departamento de Electrónica de la Universidad de Pieking Peng Peng Lianmao y las principales investigaciones del profesor Zhang Zhiyong, los principales resultados de los materiales semiconductores de carbono también dieron a la industria la nueva esperanza en la era posterior a la mero. . El 22 de mayo, 2020, el equipo publicó un papel "Semiconductor de alta densidad de carbono nanotube en paralelo para electrónica de alto rendimiento" en la revista Science, introduciendo el último desarrollo del equipo de múltiples métodos de autoajuste de purificación y dimensión. El método resuelve los problemas de pureza, densidad y área del material que han plagado durante mucho tiempo la preparación de materiales semiconductores a base de carbono.
El progreso de la investigación sobre semiconductores basados en carbono no siempre es la navegación suave. Después de las "grandes olas", la investigación en este campo de algunas instituciones y empresas se ha estancado. Tan pronto como 2014, IBM hizo una retórica audaz, diciendo que usaría nanotubos de carbono para producir chips 5 veces más rápido que entonces para 2020, pero no existe un mayor progreso en la investigación y el desarrollo.
Los circuitos a base de carbono y basados en silicio deben ser desarrollados de manera diferente
Aunque los semiconductores basados en carbono representados por los nanotubos de carbono y el grafeno tienen muchas ventajas técnicas y el potencial de mercado es obvio para todos, todavía hay muchas dificultades en la producción de alta calidad, la producción en masa y la aplicación práctica de los semiconductores a base de carbono.
No es fácil para los tubos de carbono formar películas delgadas para procesar los circuitos VLSI. El profesor Wan Qing de la Escuela de Ciencia Electrónica e Ingeniería de la Universidad de Nanjing expresó su opinión al reportero de "Noticias de China Electronics": si es un crecimiento direccional direccional, es difícil obtener una película de tubos de carbono semiconductores semiconductores de alta densidad; Para satisfacer las necesidades de la tecnología integrada integrada de gran escala de área nano a gran escala (12 pulgadas), la fabricación de masas y el rendimiento del producto pueden convertirse en desafíos.
Wan Qing cree que, aunque un solo dispositivo basado en carbono ya está haciendo bien, en comparación con los circuitos integrados de silicio, los semiconductores a base de carbono aún tienen ciertos problemas en la integración de ultra a escala de escala y el rendimiento industrial nano a escala. En términos de aplicaciones de circuitos integrados convencionales, es posible que los circuitos de los tubos de carbono no puedan competir con los circuitos basados en silicio en la actualidad, por lo que los semiconductores basados en carbono pueden necesitar un desarrollo diferenciado. En el futuro, se espera que encuentre una salida en nuevos campos, como detección y sistemas flexibles.
MA YAOBIN dijo a los reporteros que la preparación por lotes de pureza semiconductora ultra-alta (99.9999%), en línea (ángulo de orientación <9°), high density (100-200/μm), and large-area uniform CNT array film currently exists. Difficulties, which hinder the rapid application of CNFET in the field of integrated circuits. "In terms of purity, the current prepared CNTs will have the symbiosis phenomenon of semiconductors and metal CNTs, and the appearance of metal CNTs will cause serious degradation of the electrical performance of devices and chips." Ma Yaobin said.
En lo que respecta a el grafeno, Ma Yabin dijo que la característica de espacio de banda cero del grafeno intrínseco hace que la relación de interruptor de transistor de grafeno sea muy pequeño, que también limitará la aplicación de semiconductores basados en carbono en circuitos lógicos.
Desde el "valor ideal" del laboratorio hasta la aplicación a gran escala en el mercado, el camino hacia la industrialización de los semiconductores a base de carbono es largo y difícil. Xu Zheng, profesor en la Escuela de Ciencias de la Universidad de Jiaotong de Beijing, le dijo al reportero de las "Noticias de Electronics China" que en la actualidad, los materiales semiconductores a base de carbono han logrado propiedades físicas, pero para hacer dispositivos, necesitan sufrir un montón de Pulido de procesos. "La realización de la tecnología y la garantía del rendimiento de los costos son los requisitos previos para la industrialización de semiconductores a base de carbono". A pesar de las dificultades y los desafíos, Xu Zheng todavía está lleno de esperanza para el futuro de los semiconductores a base de carbono. "Si se mejora el nivel de desarrollo de equipos relacionados, la industria semiconductora basada en carbono puede con el apoyo de los equipos industrializados, es posible que los semiconductores con carbono alcancen el desarrollo a gran escala e industrializada".
En el largo viaje de abordar semiconductores a base de carbono, la industria debe cultivar habilidades internas y formar una acumulación sistemática de tecnología. Hace unos días, el equipo académico Peng Lianmao también expresó la voluntad de hacer las cosas de baja clave para los reporteros. Esto puede explicar desde el lado de que si la industria semiconductora basada en carbono es lograr un mayor desarrollo, la industria aún debe concentrarse en la investigación y el desarrollo y ser la tierra.