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Comment les semi-conducteurs basés sur le carbone traversent-ils?

Au cours des demi-un demi-siècle, l'industrie des semi-conducteurs suit la trajectoire de la loi de Moore pour se développer à grande vitesse. De nos jours, la méthode d'amélioration de la performance des puces simplement en améliorant le processus ne peut plus répondre pleinement aux besoins de l'époque, et l'industrie des semi-conducteurs est progressivement entrée dans la "ERA post-moore". L'avènement de l'ère post-Moore a apporté de nouvelles opportunités de développement au développement de l'industrie des circuits intégrés de la Chine. China Electronics News a lancé une série de rapports sur "Explorer les technologies perturbatrices de circuits intégrés dans l'ère post-moore" afin de trier les technologies potentielles perturbatrices de circuits intégrés. Discutez du statut de développement, des problèmes industriels et des perspectives d'avenir de chaque technologie.

Avec le processus de fabrication des puces approchant de 2 nanomètres, le potentiel des matériaux à puce à base de silicium a essentiellement été exploité et ne peut répondre aux besoins du développement futur de l'industrie. L'utilisation de nouveaux matériaux est reconnue comme une solution fondamentale pour les problèmes de performances des puces. Si la loi de Moore échoue vraiment, les copeaux à base de silicium qui approchent progressivement des limites physiques sont susceptibles d'être dans une situation où il n'y a aucun moyen de doute. Dans ce cas, les semi-conducteurs basés au carbone seront-ils le sauveur qui nous montrera la scène de «un nouveau village»? À ce stade, la manière dont les semi-conducteurs à base de carbone peuvent sortir de la "salle de verre" du laboratoire et réaliser vraiment leur potentiel revêtent toujours l'attention de l'attention et des difficultés rencontrées par l'industrie.

Les semi-conducteurs basés sur le carbone ont des avantages uniques

Après la loi de Moore, la "règle d'or" de l'industrie semi-conductrice, la performance des frites semi-conductrices à base de silicium doublera tous les 18 à 24 mois. Cependant, lorsque les tailles des puces continuent de se contracter, en particulier lorsque le niveau de technologie de fabrication de copeaux pénètre dans le nœud de 5 nanomètres, le développement de chips de silicium commence à faire face à de nombreuses contraintes physiques et que l'industrie a progressivement émergé "La loi de Moore est morte" et " La technologie à base de silicone est terminée. " Et d'autres vues. Les semi-conducteurs à base de carbone sont considérés comme une des technologies perturbatrices de l'époque post-moore.

Le semi-conducteur à base de carbone est un matériau semi-conducteur développé sur la base de nanomatériaux à base de carbone, représentée par des nanotubes de carbone (CNT) et de graphène. Le rapport de recherche ITRS a clairement souligné que la recherche future de l'industrie semi-conductrice devrait se concentrer sur l'électronique basée sur le carbone.

Afin de poursuivre la loi de Moore, les chercheurs ont continué à explorer de nouveaux matériaux et de nouvelles structures de dispositifs. Comparé à la technologie traditionnelle à base de silicium, quels avantages font-ils des semi-conducteurs basés sur le carbone, qui ont attiré d'innombrables chercheurs scientifiques "concurrence"?

L'état-major technique de l'Institut de recherche intégré de Circuit intégré de Beijing Carbon a déclaré auparavant le journaliste de «China Electronics News» que la technologie de carbone a une meilleure performance et une consommation d'énergie inférieure à celle de la technologie à base de silicium. Par exemple, les puces à base de carbone utilisant le processus de 90 nanoméomètre devraient produire des copeaux à base de silicone avec des performances et une intégration équivalentes au nœud technologique de 28 nanomètres et les puces à base de carbone utilisant le processus de 28 nanomètres peuvent atteindre la base de silicium. Chips équivalents au nœud technologique à 7 nanomètres.

Ma Yaobin, chercheur à l'Institut de circuits intégrés, CCID Think Tank, a pris des nanotubes de carbone à titre d'exemple pour montrer aux journalistes de Chine Electronics sur les avantages technologiques des semi-conducteurs à base de carbone. "CNT (nanotube de carbone) a une mobilité essentielle extrêmement élevée, une taille de corps très mince et une excellente conductivité thermique. Par rapport aux processeurs à base de silicium, la vitesse de fonctionnement et la consommation d'énergie de processeurs à base de CNFET peuvent tous deux avoir environ 3%. L'avantage de deux Times, c'est-à-dire l'avantage du produit de retard d'énergie (EDP) d'environ 9 fois. " Ma Yaobin a dit aux journalistes.

L'utilisation de matériaux de graphène est également une preuve forte des avantages des semi-conducteurs à base de carbone. Ma Yaobin a souligné les journalistes que graphène possède d'excellentes caractéristiques telles que la mobilité essentielle élevée et la bonne conductivité thermique, ce qui permet aux transistors de graphène d'obtenir une vitesse de transmission de signaux élevée et une bonne dissipation de chaleur. À l'avenir, le graphène devrait jouer un rôle important dans la réalisation de copeaux de taille plus petite, d'interconnexion 3D de package et d'optimisation de la dissipation de la chaleur de la puce.

La technologie Dawn de Nanotube de carbone

En fait, la poursuite des personnes et l'exploration de matériaux semi-conducteurs basés au carbone n'a pas seulement commencé ces dernières années. La technologie de nanotube de carbone utilisant de nouveaux matériaux a toujours attiré l'attention des innombrables scientifiques. En 1991, le physicien japonais Sumio IIJIMA, qui a été élu un académicien étranger de l'Académie chinoise des sciences, découvert de manière inattendue les nanotubes de carbone lorsqu'il a utilisé un microscope électronique de transmission à haute résolution pour observer les produits de fibre de carbone produits par la méthode de l'ARC. Selon ses observations, les nanotubes de carbone sont fabriqués de molécules de carbone disposées sous une forme tubulaire, qui peut être considérée comme une seule couche de graphite roulée dans un "cylindre", qui doit être préparée à partir de matériaux de carbone tels que des tiges de graphite par une spéciale. méthode.

En août 2019, un résultat de la recherche de Nanotubes de carbone a de nouveau fait la chaîne de caractères «Bonjour, World» au monde familier à chaque programmeur une sensation globale. Un article publié dans la revue Nature a montré que Max Shulaker et ses collègues du Massachusetts Institute of Technology aux États-Unis ont réussi à concevoir et à construire un microprocesseur de nanotube de carbone. Ce microprocesseur est un microprocesseur de 16 bits fabriqué à l'aide de plus de 14 000 transistors de nanotube de carbone (CNT). Son méthode de conception et de fabrication surmonte les défis précédents liés aux nanotubes de carbone et devrait être le silicium de dispositifs microélectroniques avancés. Apporter une alternative hautes performances. Ce microprocesseur a été nommé "rv16x-nano" et exécuté avec succès un programme dans le test, générant un message: "Bonjour, monde! Je suis rv16xnano, en nanotubes de carbone."

Ma Yaobin a déclaré aux journalistes que les chercheurs de TSMC, de l'Université de Stanford et de l'Université de Californie, San Diego ont également développé conjointement un CNFET de porte de dessus (transistor à effet de champ de nanotube de carbone) avec une longueur de grille de 10 nm et une balançoire SANSHRESHOLD de 68 mv / déc.

L'année dernière, l'équipe des académiciens de l'Académie chinoise des sciences et des professeurs du Département de l'électronique de l'Université Penging Peng Lianmao et du Professeur Zhang Zhiyong Les principaux résultats de la recherche sur les matériaux semi-conducteurs à base de carbone ont également donné à l'industrie nouvel espoir dans l'époque post-amie. . Le 22 mai 2020, l'équipe a publié un document «Tableaux parallèles de nanotube de carbone à semi-conducteur à haute densité à semi-conducteurs à la densité pour l'électronique haute performance» dans le magazine Science, introduisant le dernier développement de l'équipe de méthodes d'auto-assemblage multiples de purification et de modulation de dimensions. La méthode résout les problèmes de la pureté matérielle, de la densité et de la zone qui ont longtemps affiché la préparation de matériaux semi-conducteurs à base de carbone.

Les progrès de la recherche sur les semi-conducteurs à base de carbone ne sont pas toujours en douceur. Après les "grosses vagues", des recherches dans ce domaine par certaines institutions et entreprises ont été bloquées. Dès 2014, IBM a fait une rhétorique audacieuse, affirmant qu'elle utiliserait des nanotubes de carbone pour produire des copeaux 5 fois plus rapides qu'au 2020, mais il n'existe plus de progrès dans la recherche et le développement.

Les circuits basés sur le carbone et à base de silicium doivent être développés différemment


Bien que les semi-conducteurs à base de carbone représentés par des nanotubes de carbone et du graphène ont de nombreux avantages techniques et que le potentiel de marché est évident pour tous, il reste encore beaucoup de difficultés dans la qualité de la masse et l'application pratique des semi-conducteurs à base de carbone.

Il n'est pas facile pour les tubes de carbone de former des films minces pour traiter les circuits VLSI. Le professeur Wan Qing de l'École des sciences électroniques et de l'ingénierie de l'Université de Nanjing a exprimé son opinion au journaliste de «Chine Electronics News»: s'il s'agit de la croissance directe directionnelle, il est difficile d'obtenir un film de tube de carbone à semi-conducteur parfait à haute densité; Pour répondre aux besoins de la technologie de circuit intégrée à grande échelle de grande surface (12 pouces), la fabrication de masse et le rendement des produits peuvent devenir des défis.


Wan Qing estime que, bien qu'un seul dispositif à base de carbone se porte déjà bien, comparé aux circuits intégrés au silicium, les semi-conducteurs à base de carbone ont toujours certains problèmes dans l'intégration ultra-grande à grande échelle et le rendement industriel. En termes d'applications de circuit intégrées conventionnelles, des circuits de tube de carbone peuvent ne pas être en mesure de concurrencer des circuits à base de silicium à l'heure actuelle, les semi-conducteurs à base de carbone peuvent donc avoir besoin de développement différencié. À l'avenir, il devrait trouver une solution dans de nouveaux champs tels que la détection et les systèmes flexibles.


Ma Yaobin a déclaré aux journalistes que la préparation du lot de pureté à semi-conducteurs ultra-élevée (99,9999%), en ligne (angle d'orientation <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 ce qui concerne le graphène, MA Yaobin a déclaré que la caractéristique de l'espace zéro de la bande de graphène intrinsèque rend le rapport de commutateur de transistor graphène très petit, ce qui limitera également l'application de semi-conducteurs à base de carbone dans des circuits logiques.


De la "valeur idéale" du laboratoire à la grande application sur le marché, la voie de l'industrialisation des semi-conducteurs à base de carbone est longue et difficile. Xu Zheng, professeur à l'École de science de la science de Beijing Jiaotong University, a déclaré à la reporter de «China Electronics News» qu'à l'heure actuelle, les matériaux semi-conducteurs à base de carbone ont atteint des propriétés physiques, mais de faire des dispositifs, ils doivent subir beaucoup de polissage de processus. "La réalisation de la technologie et la garantie des performances des coûts sont les conditions préalables à l'industrialisation des semi-conducteurs à base de carbone." Malgré les difficultés et les défis, Xu Zheng est toujours plein d'espoir de l'avenir des semi-conducteurs à base de carbone. "Si le niveau de développement d'équipement connexe est amélioré, l'industrie semi-conductrice à base de carbone peut être apportée à l'appui des équipements industrialisés, il est possible que les semi-conducteurs à base de carbone permettent de réaliser un développement à grande échelle et industrialisée."

Dans le long parcours de lutte contre les semi-conducteurs à base de carbone, l'industrie doit cultiver les compétences internes et former une accumulation systématique de la technologie. Il y a quelques jours, l'équipe d'académicien Peng Lianmao a également exprimé la volonté de faire des choses à faire des choses sur les journalistes. Cela peut être capable d'expliquer de la part du côté que si l'industrie semi-conductrice basée au carbone doit atteindre un développement ultérieur, l'industrie doit encore se concentrer sur la recherche et le développement et être à terre.