Nyheter

Hur bryter kolbaserade halvledare?

Under det senaste halvtycket har halvledarindustrin följt den bana av Moores lag att utvecklas med hög hastighet. Idag kan metoden för att förbättra chipprestandan genom att uppgradera processen inte längre fullt ut uppfylla tidernas behov, och halvledarindustrin har gradvis gått in i "post-moore era". Tillkomsten av Post-Moore Era har medfört nya utvecklingsmöjligheter till utvecklingen av Kinas integrerade kretsindustri. Kina Electronics News har lanserat en rad rapporter om att "utforska störande teknologier av integrerade kretsar i post-moore era" för att sortera ut den potentiella störande teknikerna för integrerade kretsar. Diskutera utvecklingsstatus, industriella problem och framtida utsikter för varje teknik.

Med chiptillverkningsprocessen som närmar sig 2 nanometer har potentialen för kiselbaserade chipmaterial i princip tappat, och det kan inte uppfylla behoven hos industrins framtida utveckling. Användningen av nya material är erkänd som en grundläggande lösning på chipprestationsproblem. Om Moores lag verkligen misslyckas, kommer kiselbaserade chips som gradvis närmar sig fysiska gränser sannolikt att vara i en situation där det inte finns något sätt. I det här fallet kommer kolbaserade halvledare att vara Frälsaren som kommer att visa oss scenen för "en ny by"? I detta skede, hur kolbaserade halvledare kan komma ut ur laboratoriets "glasrum" och verkligen inse att deras potential fortfarande är fokus för uppmärksamhet och svårigheter som branschen står inför.

Kolbaserade halvledare har unika fördelar

Efter Moores lag kommer den "gyllene regeln" av halvledarindustrin, prestanda av kiselbaserade halvledarchips att dubbla var 18: e till 24 månader. Men när chipstorlekarna fortsätter att krympa, speciellt när nivån på chiptillverkningstekniken går in i 5-nanometernoden, börjar utvecklingen av kiselflisen att möta många fysiska begränsningar, och industrin har gradvis uppstått "Moores lag är död" och " Silikonbaserad teknik har kommit till ett slut. " Och andra åsikter. Kolbaserade halvledare anses vara en av störande teknologier i den post-moore-eran.

Kolbaserad halvledare är ett halvledarmaterial som utvecklats på basis av kolbaserade nanomaterial, representerade av kolnanorör (CNT) och grafen. ITRS-forskningsrapporten har tydligt påpekat att halvledarindustrins framtida forskningsfokus bör fokusera på kolbaserad elektronik.

För att fortsätta Moores lag har forskare fortsatt att utforska nya material och nya enhetsstrukturer. Jämfört med traditionell kiselbaserad teknik, vilka fördelar är kolbaserade halvledare, som har lockat otaliga vetenskapliga forskare "konkurrera"?

Den tekniska personalen i Peking Carbon-based Integrated Circuit Research Institute berättade tidigare reportern av "China Electronics News" att kolbaserad teknik har bättre prestanda och lägre strömförbrukning än kiselbaserad teknik. Exempelvis förväntas kolbaserade chips med användning av 90-nanometerprocessen producera kiselbaserade chips med prestanda och integration som motsvarar 28-nanometertekniknoden och kolbaserade chips med användning av 28-nanometerprocessen kan uppnå kiselbaserad chips motsvarar 7-nanometertekniknoden.

Ma Yaobin, en forskare vid Institute of Integrated Circuits, CCID Tänk tank, tog kol nanotubes som ett exempel för att visa reportrar från Kina elektronik nyheter om de tekniska fördelarna med kolbaserade halvledare. "CNT (kol nanotube) har extremt hög bärare rörlighet, mycket tunn kroppsstorlek och utmärkt värmeledningsförmåga. Jämfört med kiselbaserade processorer kan drifthastigheten och energiförbrukningen hos CNFET-baserade processorer både ha ca 3%. Fördelen med två Tider, det vill säga fördelen med energifördröjningsprodukten (EDP) på cirka 9 gånger. " Ma Yaobin berättade för reportrar.

Användningen av grafenmaterial är också ett starkt bevis på fördelarna med kolbaserade halvledare. Ma Yaobin påpekade till reportrar att grafen har utmärkta egenskaper som hög bärarmobilitet och god värmeledningsförmåga, vilket gör det möjligt för grafentransistorer att erhålla hög signalöverföringshastighet och god värmeavledning. I framtiden förväntas grafen spela en viktig roll för att realisera mindre storlekschips, 3D-paketinterconnection och optimera chip-värmeavledningen.

Dawn of Carbon Nanotube Technology

Faktum är att människors strävan och utforskning av kolbaserade halvledarmaterial inte bara har börjat de senaste åren. Kolnanotube-teknik med nya material har alltid lockat uppmärksamheten hos otaliga forskare. År 1991, som har blivit vald som en utländsk akademiker av den kinesiska vetenskapsakademin, oväntat upptäckte oväntat kolnanorör när han använde ett högupplöst transmissionselektronmikroskop för att observera kolfiberprodukter som producerades av ARC-metoden. Enligt hans observationer är kolnanotubes gjorda av kolmolekyler anordnade i en rörformig form, vilken kan betraktas som ett enda skikt av grafit som rullas in i en "cylinder", som måste framställas från kolmaterial, såsom grafitstänger med en speciell metod.

I augusti 2019 gjorde ett forskningsresultat av kolnanotubes återigen "Hello, World" -strängen av tecken som är bekanta med varje programmerare en global känsla. Ett papper som publiceras i tidskriften Nature visade att Max Shulaker och hans kollegor på Massachusetts Institute of Technology i USA lyckades utforma och konstruera en kolnanotube-mikroprocessor. Denna mikroprocessor är en 16-bitars mikroprocessor tillverkad med användning av mer än 14 000 kol nanotube (CNT) transistorer. Dess design- och tillverkningsmetod övervinner de tidigare utmaningarna i samband med kolnanorör och förväntas vara kisel i avancerade mikroelektroniska anordningar. Ta med ett högpresterande alternativ. Denna mikroprocessor heter "RV16X-nano" och utförde framgångsrikt ett program i testet och genererade ett meddelande: "Hej, värld! Jag är RV16XNANO, gjord av kolnanorör."

Ma Yaobin berättade för reportrar att forskare från TSMC, Stanford University och University of California, San Diego har också gemensamt utvecklat en Top-Gate CNFET (Carbon NanoTube Field-effekttransistor) med en grindlängd på 10 nm och en subtreshold-swing på 68mv / dec.

Förra året gav teamet akademiker av den kinesiska akademin för vetenskap och professorer av avdelningen för Electring University Peng Lianao och professor Zhang Zhiyongs stora forskningsresultat på kolbaserade halvledarmaterial också branschen nytt hopp i post-maor-tiden . Den 22 maj 2020 publicerade teamet ett papper "Heatconductor Carbon nanotube-parallella arrays för högpresterande elektronik" i vetenskapsmagasin, introducerar lagets senaste utveckling av flera renings- och dimensionsbegränsade självmonteringsmetoder. Metoden löser problemen med materiell renhet, densitet och område som länge plågat framställningen av kolbaserade halvledarmaterial.

Framstegen på forskning om kolbaserade halvledare är inte alltid smidig segling. Efter de "stora vågorna" har forskning på detta område av vissa institutioner och företag stannat. Så tidigt som 2014 gjorde IBM djärv retorik och sade att det skulle använda kolnanorör för att producera chips 5 gånger snabbare än sedan 2020, men det finns inga ytterligare framsteg inom forskning och utveckling.

Kolbaserade och kiselbaserade kretsar måste utvecklas annorlunda


Även om kolbaserade halvledare som representeras av kolnanorör och grafen har många tekniska fördelar och marknadspotentialen är uppenbart för alla, finns det fortfarande många svårigheter i högkvalitativ, massproduktion och praktisk tillämpning av kolbaserade halvledare.

Det är inte lätt för kolrör att bilda tunna filmer för bearbetning av VLSI-kretsar. Professor WAN Qing of the School of Electronic Science and Engineering of Nanjing University uttryckte sin åsikt till reportern av "China Electronics News": Om det är direktriktad tillväxt är det svårt att få en hög densitet perfekt halvledarkolrörsfilm; För att möta behoven hos storområdet (12-tum) nano-scale mycket storskalig integrerad kretsteknik kan massproduktion och produktutbyte bli utmaningar.


WAN QING anser att, även om en enda kolbaserad anordning redan har brunn, jämfört med kiselintegrerade kretsar, har kolbaserade halvledare fortfarande vissa problem i nano-skala ultra-storskalig integration och industriell utbyte. När det gäller konventionella integrerade kretsapplikationer kan kolrörets kretsar inte kunna konkurrera med kiselbaserade kretsar för närvarande, så kolbaserade halvledare kan behöva differentierad utveckling. I framtiden förväntas det hitta en väg ut i nya områden som avkänning och flexibla system.


Ma Yaobin berättade för reportrar att satsberedningen av ultrahög halvledarrenhet (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.


När det gäller grafen, sade MA YAOBIN att nollbandets gap-funktion av inneboende grafen gör grafentransistortrummet mycket litet, vilket också begränsar appliceringen av kolbaserade halvledare i logiska kretsar.


Från det "ideella värdet" av laboratoriet till den stora applikationen på marknaden är vägen till industrialisering av kolbaserade halvledare lång och svår. Xu Zheng, en professor vid School of Science of Beijing Jiaotong University, berättade reportern av "China Electronics News" som för närvarande har kolbaserade halvledarmaterial uppnått fysiska egenskaper, men att göra enheter, måste de genomgå mycket Processpolering. "Teknisk realisering och garantin för kostnadsresultat är förutsättningarna för industrialisering av kolbaserade halvledare." Trots svårigheterna och utmaningarna är Xu Zheng fortfarande full av hopp för framtiden för kolbaserade halvledare. "Om utvecklingsnivån för relaterad utrustning förbättras kan den kolbaserade halvledarindustrin med stöd av industrialiserad utrustning, det är möjligt för kolbaserade halvledare att uppnå storskalig och industrialiserad utveckling."

På den långa resan att hantera kolbaserade halvledare behöver industrin odla interna färdigheter och utgöra en systematisk ackumulering av teknik. För några dagar sedan uttryckte den akademiker Peng Lianao-teamet också villigheten att göra saker med låg nyckel till reportrar. Detta kan kunna förklara från den sida som om den kolbaserade halvledarindustrin är att uppnå vidareutveckling, behöver industrin fortfarande koncentrera sig på forskning och utveckling och vara jordnära.