Nyheter
Hvordan bryter karbonbaserte halvledere?
I løpet av de siste halvt århundre har halvlederindustrien fulgt banen til Moores lov for å utvikle med høy hastighet. I dag kan metoden for å forbedre chipytelsen bare ved å oppgradere prosessen ikke lenger fullt ut tilfredsstille tidens behov, og halvlederindustrien har gradvis kommet inn i "Post-Moore-epoken". Adventen av Post-Moore-æra har gitt nye utviklingsmuligheter til utviklingen av Kinas integrerte kretsindustri. Kina Electronics News har lansert en rekke rapporter om "å utforske de forstyrrende teknologiene i integrerte kretser i Post-Moore Era" for å sortere ut den potensielle forstyrrende teknologien til integrerte kretser. Diskuter utviklingsstatus, industrielle problemer og fremtidige utsiktene til hver teknologi.
Med chipproduksjonsprosessen som nærmer seg 2 nanometer, har potensialet for silisiumbaserte brikkematerialer i utgangspunktet blitt tappet, og det kan ikke oppfylle behovene til bransjens fremtidige utvikling. Bruken av nye materialer er anerkjent som en grunnleggende løsning for å smule ytelsesproblemer. Hvis Moores lov virkelig mislykkes, vil silisiumbaserte chips som gradvis nærmer seg fysiske grenser, sannsynligvis være i en situasjon der det ikke er noen vei ut av tvil. I dette tilfellet vil karbonbaserte halvledere være Frelseren som vil vise oss scenen til "en ny landsby"? På dette stadiet, hvordan karbonbaserte halvledere kan komme seg ut av laboratoriets "glass rom og virkelig innse at deres potensial fortsatt er fokus for oppmerksomhet og vanskeligheter som bransjen står overfor.
Kullbaserte halvledere har unike fordeler
Etter Moores lov, den "gylne regelen" av halvlederindustrien, vil ytelsen av silisiumbaserte halvleder-chips doble hver 18. til 24 måneder. Men som chipstørrelser fortsetter å krympe, spesielt når nivået på chipproduksjonsteknologien går inn i 5-nanometerkoden, begynner utviklingen av silisiumgull å møte mange fysiske begrensninger, og industrien har gradvis kommet fremover "Moores lov er død" og " Silisiumbasert teknologi har kommet til en slutt. " Og andre synspunkter. Kullbaserte halvledere anses å være en av de forstyrrende teknologiene i Post-Moore-epoken.
Kullbasert halvleder er et halvledermateriale utviklet på grunnlag av karbonbaserte nanomaterialer, representert av karbon nanorør (CNT) og grafen. ITRS-forskningsrapporten har tydelig påpekt at det fremtidige forskningsfokuset i halvlederindustrien bør fokusere på karbonbasert elektronikk.
For å fortsette Moores lov har forskere fortsatt å utforske nye materialer og nye enhetsstrukturer. Sammenlignet med tradisjonell silisiumbasert teknologi, hvilke fordeler som har karbonbaserte halvledere, som har tiltrukket utallige vitenskapelige forskere "konkurrere"?
Teknisk stab på Beijing Carbon-basert integrert krets forskningsinstitutt tidligere fortalte reporteren av "Kina Electronics News" som karbonbasert teknologi har bedre ytelse og lavere strømforbruk enn silisiumbasert teknologi. For eksempel forventes karbonbaserte sjetonger ved hjelp av 90-nanometerprosessen å produsere silisiumbaserte sjetonger med ytelse og integrering tilsvarende 28-nanometer teknologi noden, og karbonbaserte sjetonger ved hjelp av 28-nanometer prosessen kan oppnå silisiumbasert Chips tilsvarende 7-nanometer teknologi node.
Ma Yaobin, en forsker ved Institutt for integrerte kretser, CCID tenktank, tok karbon nanotubes som et eksempel for å vise journalister fra Kina Electronics nyheter om de teknologiske fordelene med karbonbaserte halvledere. "CNT (karbon nanotube) har ekstremt høy transportør mobilitet, veldig tynn kroppsstørrelse og utmerket termisk ledningsevne. Sammenlignet med silisiumbaserte prosessorer, kan driftshastigheten og energiforbruket av CNFET-baserte prosessorer begge ha ca 3%. Fordelen med to ganger, det vil si fordelen av energiforsinkelsesproduktet (EDP) på ca. 9 ganger. " Ma Yaobin fortalte journalister.
Bruken av grafenematerialer er også et sterkt bevis på fordelene ved karbonbaserte halvledere. Ma Yaobin pekte på journalister at grafen har gode egenskaper som høy bærermobilitet og god termisk ledningsevne, som tillater grafen-transistorer å oppnå høy signaloverføringshastighet og god varmeavledning. I fremtiden forventes grafen å spille en viktig rolle i å realisere mindre størrelse chips, 3D-pakke sammenkobling og optimalisering av chip varmeavledning.
Begynnelsen av karbon nanotube teknologi
Faktisk har folks jakten og utforskning av karbonbaserte halvledermaterialer ikke bare begynt de siste årene. Karbon nanotube teknologi ved hjelp av nye materialer har alltid tiltrukket oppmerksomheten til utallige forskere. I 1991 oppdaget japansk fysiker SUMIO IIJIMA, som har blitt valgt som utenlandsk akademiker av det kinesiske vitenskapsakademiet, uventet karbon nanotubes da han brukte et høyoppløselig transmisjonselektronmikroskop for å observere karbonfiberprodukter produsert av ARC-metoden. Ifølge hans observasjoner er karbon nanorør laget av karbonmolekyler anordnet i en rørformet form, som kan betraktes som et enkelt lag av grafitt rullet inn i en "sylinder", som må fremstilles fra karbonmaterialer som grafittstenger av en spesiell metode.
I august 2019 gjorde et forskningsresultat av karbon nanotubes igjen "Hello, World" -strengen av tegn kjent for hver programmerer en global følelse. Et papir som er publisert i journalen, viser at Max Shulaker og hans kolleger på Massachusetts Institute of Technology i USA klarte å designe og bygge en karbon NanoTube-mikroprosessor. Denne mikroprosessoren er en 16-bits mikroprosessor produsert ved hjelp av mer enn 14.000 Carbon NanoTube (CNT) transistorer. Dens design og produksjonsmetode overvinne de tidligere utfordringene knyttet til karbon nanotubes og forventes å være silisium i avanserte mikroelektroniske enheter. Ta med et høy ytelse alternativ. Denne mikroprosessoren ble kalt "RV16x-nano" og vellykket utførte et program i testen, og genererer en melding: "Hei, World! Jeg er RV16xnano, laget av karbon nanorør."
Ma Yaobin fortalte journalister at forskere fra TSMC, Stanford University og University of California, San Diego har også i fellesskap utviklet en topp-port CNFET (Carbon NanoTube Field Effect Transistor) med en port lengde på 10nm og en subthreshold swing på 68MV / DEC.
I fjor ga teamet av akademikere av det kinesiske vitenskapsakademiet og professorer av Election of Electronics of Peking University Peng Lianmao og professor Zhang Zhiyongs store forskningsresultater på karbonbaserte halvledermaterialer også bransjens nye håp i post-moor-epoken . Den 22. mai 2020 publiserte teamet et papir med høy tetthet halvleder karbon nanotube parallelle arrays for høy ytelse elektronikk "i vitenskapsmagasinet, introdusere lagets nyeste utvikling av flere rensing og dimensjonsbegrensede selvmonteringsmetoder. Metoden løser problemene med materiell renhet, tetthet og område som lenge har plaget fremstillingen av karbonbaserte halvledermaterialer.
Fremdriften av forskning på karbonbaserte halvledere er ikke alltid jevnt seiling. Etter de "store bølgene" har forskning på dette feltet av noen institusjoner og selskaper stanset. Så tidlig som 2014 gjorde IBM dristig retorikk og sa at det ville bruke karbon nanotubes til å produsere sjetonger 5 ganger raskere enn deretter innen 2020, men det er ingen ytterligere fremgang i forskning og utvikling.
Kullbaserte og silisiumbaserte kretser må utvikles annerledes
Selv om karbonbaserte halvledere representert av karbon nanorør og grafen har mange tekniske fordeler, og markedspotensialet er åpenbart for alle, er det fortsatt mange vanskeligheter i høy kvalitet, masseproduksjon og praktisk anvendelse av karbonbaserte halvledere.
Det er ikke lett for karbonrør å danne tynne filmer for behandling av VLSI-kretser. Professor Wan Qing av skolen for elektronisk vitenskap og engineering av Nanjing University uttrykte sin mening til reporteren av "Kina Electronics News": Hvis det er direkte retningsvekst, er det vanskelig å få en perfekt, perfekt halvleder karbonrørfilm; For å møte behovene til stor areal (12-tommers) nano-skala, kan svært stor integrert kretsteknologi, masseproduksjon og produktutbytte bli utfordringer.
Wan Qing mener at selv om en enkelt karbonbasert enhet allerede går bra, sammenlignet med silisiumintegrerte kretser, har karbonbaserte halvledere fortsatt visse problemer i nano-skala ultra-store integrasjon og industrielt avkastning. Når det gjelder konvensjonelle integrerte kretsapplikasjoner, kan karbonrørkretser ikke være i stand til å konkurrere med silisiumbaserte kretser i dag, så karbonbaserte halvledere kan trenge differensiert utvikling. I fremtiden forventes det å finne en vei ut i nye felt som sensing og fleksible systemer.
Ma Yaobin fortalte journalister at batchforberedelsen av ultra høy halvleder renhet (99,9999%), in-line (orienteringsvinkel <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.
Når det gjelder grafen, sa Ma Yaobin at nullbåndsgapet i indre grafen gjør grafentransistorbryterforholdet svært lite, noe som også vil begrense anvendelsen av karbonbaserte halvledere i logikkretter.
Fra den "ideelle verdien" av laboratoriet til den store søknaden i markedet, er veien til industrialisering av karbonbaserte halvledere lang og vanskelig. Xu Zheng, en professor ved vitenskapsskolen til Beijing Jiaotong University, fortalte reporteren av "Kina Electronics News" som i dag har karbonbaserte halvledermaterialer oppnådd fysiske egenskaper, men for å lage enheter, må de gjennomgå mye behandle polering. "Teknologi Realization og garantien for kostnadseffektivitet er forutsetningene for industrialisering av karbonbaserte halvledere." Til tross for vanskelighetene og utfordringene, er Xu Zheng fortsatt full av håp for fremtiden for karbonbaserte halvledere. "Hvis utviklingsnivået for relatert utstyr er forbedret, kan den karbonbaserte halvlederindustrien med støtte fra industrialisert utstyr, det er mulig for karbonbaserte halvledere å oppnå stor og industrialisert utvikling."
I den lange reisen med å takle karbonbaserte halvledere, trenger industrien å dyrke interne ferdigheter og danne en systematisk akkumulering av teknologi. For noen dager siden uttrykte Academician Peng Lianmao-teamet også villigheten til å gjøre ting lavt nøkkel til journalister. Dette kan være i stand til å forklare fra siden at hvis den karbonbaserte halvlederindustrien er å oppnå videreutvikling, må industrien fortsatt konsentrere seg om forskning og utvikling og være jordnær.
Med chipproduksjonsprosessen som nærmer seg 2 nanometer, har potensialet for silisiumbaserte brikkematerialer i utgangspunktet blitt tappet, og det kan ikke oppfylle behovene til bransjens fremtidige utvikling. Bruken av nye materialer er anerkjent som en grunnleggende løsning for å smule ytelsesproblemer. Hvis Moores lov virkelig mislykkes, vil silisiumbaserte chips som gradvis nærmer seg fysiske grenser, sannsynligvis være i en situasjon der det ikke er noen vei ut av tvil. I dette tilfellet vil karbonbaserte halvledere være Frelseren som vil vise oss scenen til "en ny landsby"? På dette stadiet, hvordan karbonbaserte halvledere kan komme seg ut av laboratoriets "glass rom og virkelig innse at deres potensial fortsatt er fokus for oppmerksomhet og vanskeligheter som bransjen står overfor.
Kullbaserte halvledere har unike fordeler
Etter Moores lov, den "gylne regelen" av halvlederindustrien, vil ytelsen av silisiumbaserte halvleder-chips doble hver 18. til 24 måneder. Men som chipstørrelser fortsetter å krympe, spesielt når nivået på chipproduksjonsteknologien går inn i 5-nanometerkoden, begynner utviklingen av silisiumgull å møte mange fysiske begrensninger, og industrien har gradvis kommet fremover "Moores lov er død" og " Silisiumbasert teknologi har kommet til en slutt. " Og andre synspunkter. Kullbaserte halvledere anses å være en av de forstyrrende teknologiene i Post-Moore-epoken.
Kullbasert halvleder er et halvledermateriale utviklet på grunnlag av karbonbaserte nanomaterialer, representert av karbon nanorør (CNT) og grafen. ITRS-forskningsrapporten har tydelig påpekt at det fremtidige forskningsfokuset i halvlederindustrien bør fokusere på karbonbasert elektronikk.
For å fortsette Moores lov har forskere fortsatt å utforske nye materialer og nye enhetsstrukturer. Sammenlignet med tradisjonell silisiumbasert teknologi, hvilke fordeler som har karbonbaserte halvledere, som har tiltrukket utallige vitenskapelige forskere "konkurrere"?
Teknisk stab på Beijing Carbon-basert integrert krets forskningsinstitutt tidligere fortalte reporteren av "Kina Electronics News" som karbonbasert teknologi har bedre ytelse og lavere strømforbruk enn silisiumbasert teknologi. For eksempel forventes karbonbaserte sjetonger ved hjelp av 90-nanometerprosessen å produsere silisiumbaserte sjetonger med ytelse og integrering tilsvarende 28-nanometer teknologi noden, og karbonbaserte sjetonger ved hjelp av 28-nanometer prosessen kan oppnå silisiumbasert Chips tilsvarende 7-nanometer teknologi node.
Ma Yaobin, en forsker ved Institutt for integrerte kretser, CCID tenktank, tok karbon nanotubes som et eksempel for å vise journalister fra Kina Electronics nyheter om de teknologiske fordelene med karbonbaserte halvledere. "CNT (karbon nanotube) har ekstremt høy transportør mobilitet, veldig tynn kroppsstørrelse og utmerket termisk ledningsevne. Sammenlignet med silisiumbaserte prosessorer, kan driftshastigheten og energiforbruket av CNFET-baserte prosessorer begge ha ca 3%. Fordelen med to ganger, det vil si fordelen av energiforsinkelsesproduktet (EDP) på ca. 9 ganger. " Ma Yaobin fortalte journalister.
Bruken av grafenematerialer er også et sterkt bevis på fordelene ved karbonbaserte halvledere. Ma Yaobin pekte på journalister at grafen har gode egenskaper som høy bærermobilitet og god termisk ledningsevne, som tillater grafen-transistorer å oppnå høy signaloverføringshastighet og god varmeavledning. I fremtiden forventes grafen å spille en viktig rolle i å realisere mindre størrelse chips, 3D-pakke sammenkobling og optimalisering av chip varmeavledning.
Begynnelsen av karbon nanotube teknologi
Faktisk har folks jakten og utforskning av karbonbaserte halvledermaterialer ikke bare begynt de siste årene. Karbon nanotube teknologi ved hjelp av nye materialer har alltid tiltrukket oppmerksomheten til utallige forskere. I 1991 oppdaget japansk fysiker SUMIO IIJIMA, som har blitt valgt som utenlandsk akademiker av det kinesiske vitenskapsakademiet, uventet karbon nanotubes da han brukte et høyoppløselig transmisjonselektronmikroskop for å observere karbonfiberprodukter produsert av ARC-metoden. Ifølge hans observasjoner er karbon nanorør laget av karbonmolekyler anordnet i en rørformet form, som kan betraktes som et enkelt lag av grafitt rullet inn i en "sylinder", som må fremstilles fra karbonmaterialer som grafittstenger av en spesiell metode.
I august 2019 gjorde et forskningsresultat av karbon nanotubes igjen "Hello, World" -strengen av tegn kjent for hver programmerer en global følelse. Et papir som er publisert i journalen, viser at Max Shulaker og hans kolleger på Massachusetts Institute of Technology i USA klarte å designe og bygge en karbon NanoTube-mikroprosessor. Denne mikroprosessoren er en 16-bits mikroprosessor produsert ved hjelp av mer enn 14.000 Carbon NanoTube (CNT) transistorer. Dens design og produksjonsmetode overvinne de tidligere utfordringene knyttet til karbon nanotubes og forventes å være silisium i avanserte mikroelektroniske enheter. Ta med et høy ytelse alternativ. Denne mikroprosessoren ble kalt "RV16x-nano" og vellykket utførte et program i testen, og genererer en melding: "Hei, World! Jeg er RV16xnano, laget av karbon nanorør."
Ma Yaobin fortalte journalister at forskere fra TSMC, Stanford University og University of California, San Diego har også i fellesskap utviklet en topp-port CNFET (Carbon NanoTube Field Effect Transistor) med en port lengde på 10nm og en subthreshold swing på 68MV / DEC.
I fjor ga teamet av akademikere av det kinesiske vitenskapsakademiet og professorer av Election of Electronics of Peking University Peng Lianmao og professor Zhang Zhiyongs store forskningsresultater på karbonbaserte halvledermaterialer også bransjens nye håp i post-moor-epoken . Den 22. mai 2020 publiserte teamet et papir med høy tetthet halvleder karbon nanotube parallelle arrays for høy ytelse elektronikk "i vitenskapsmagasinet, introdusere lagets nyeste utvikling av flere rensing og dimensjonsbegrensede selvmonteringsmetoder. Metoden løser problemene med materiell renhet, tetthet og område som lenge har plaget fremstillingen av karbonbaserte halvledermaterialer.
Fremdriften av forskning på karbonbaserte halvledere er ikke alltid jevnt seiling. Etter de "store bølgene" har forskning på dette feltet av noen institusjoner og selskaper stanset. Så tidlig som 2014 gjorde IBM dristig retorikk og sa at det ville bruke karbon nanotubes til å produsere sjetonger 5 ganger raskere enn deretter innen 2020, men det er ingen ytterligere fremgang i forskning og utvikling.
Kullbaserte og silisiumbaserte kretser må utvikles annerledes
Selv om karbonbaserte halvledere representert av karbon nanorør og grafen har mange tekniske fordeler, og markedspotensialet er åpenbart for alle, er det fortsatt mange vanskeligheter i høy kvalitet, masseproduksjon og praktisk anvendelse av karbonbaserte halvledere.
Det er ikke lett for karbonrør å danne tynne filmer for behandling av VLSI-kretser. Professor Wan Qing av skolen for elektronisk vitenskap og engineering av Nanjing University uttrykte sin mening til reporteren av "Kina Electronics News": Hvis det er direkte retningsvekst, er det vanskelig å få en perfekt, perfekt halvleder karbonrørfilm; For å møte behovene til stor areal (12-tommers) nano-skala, kan svært stor integrert kretsteknologi, masseproduksjon og produktutbytte bli utfordringer.
Wan Qing mener at selv om en enkelt karbonbasert enhet allerede går bra, sammenlignet med silisiumintegrerte kretser, har karbonbaserte halvledere fortsatt visse problemer i nano-skala ultra-store integrasjon og industrielt avkastning. Når det gjelder konvensjonelle integrerte kretsapplikasjoner, kan karbonrørkretser ikke være i stand til å konkurrere med silisiumbaserte kretser i dag, så karbonbaserte halvledere kan trenge differensiert utvikling. I fremtiden forventes det å finne en vei ut i nye felt som sensing og fleksible systemer.
Ma Yaobin fortalte journalister at batchforberedelsen av ultra høy halvleder renhet (99,9999%), in-line (orienteringsvinkel <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.
Når det gjelder grafen, sa Ma Yaobin at nullbåndsgapet i indre grafen gjør grafentransistorbryterforholdet svært lite, noe som også vil begrense anvendelsen av karbonbaserte halvledere i logikkretter.
Fra den "ideelle verdien" av laboratoriet til den store søknaden i markedet, er veien til industrialisering av karbonbaserte halvledere lang og vanskelig. Xu Zheng, en professor ved vitenskapsskolen til Beijing Jiaotong University, fortalte reporteren av "Kina Electronics News" som i dag har karbonbaserte halvledermaterialer oppnådd fysiske egenskaper, men for å lage enheter, må de gjennomgå mye behandle polering. "Teknologi Realization og garantien for kostnadseffektivitet er forutsetningene for industrialisering av karbonbaserte halvledere." Til tross for vanskelighetene og utfordringene, er Xu Zheng fortsatt full av håp for fremtiden for karbonbaserte halvledere. "Hvis utviklingsnivået for relatert utstyr er forbedret, kan den karbonbaserte halvlederindustrien med støtte fra industrialisert utstyr, det er mulig for karbonbaserte halvledere å oppnå stor og industrialisert utvikling."
I den lange reisen med å takle karbonbaserte halvledere, trenger industrien å dyrke interne ferdigheter og danne en systematisk akkumulering av teknologi. For noen dager siden uttrykte Academician Peng Lianmao-teamet også villigheten til å gjøre ting lavt nøkkel til journalister. Dette kan være i stand til å forklare fra siden at hvis den karbonbaserte halvlederindustrien er å oppnå videreutvikling, må industrien fortsatt konsentrere seg om forskning og utvikling og være jordnær.