أخبار

كيف تنفجر أشباه الموصلات القائم على الكربون؟

على مدار النصف الأخير من القرن الماضي، تتبع صناعة أشباه الموصلات مسار قانون مور للتطوير بسرعة عالية. في الوقت الحاضر، لم تعد طريقة تحسين أداء الرقائق ببساطة عن طريق ترقية العملية لم تعد تلبي احتياجات العصر بالكامل، وقد دخلت صناعة أشباه الموصلات تدريجيا "عصر ما بعد مور". جلب ظهور عصر ما بعد مور فرص تنمية جديدة لتنمية صناعة الدوائر المتكاملة للصين. أطلقت أخبار الصين للإلكترونيات سلسلة من التقارير عن "استكشاف التقنيات التخريبية للدوائر المتكاملة في عصر ما بعد مور" لفرز التقنيات التخريبية المحتملة للدوائر المتكاملة. ناقش حالة التنمية والمشاكل الصناعية والآفاق المستقبلية لكل تكنولوجيا.

مع إجراء عملية تصنيع الرقاقات التي تقترب من نسبة النقد المتعرجة، تم استغلال إمكانات مواد رقاقة السيليكون أساسا، ولا يمكنها تلبية احتياجات التنمية المستقبلية في الصناعة. يتم التعرف على استخدام المواد الجديدة كحل أساسي لمشاكل الأداء الرقاقة. إذا فشل قانون مور حقا، فمن المحتمل أن تكون الرقائق المستندة إلى السيليكون تقترب تدريجيا من الحدود الفيزيائية في موقف لا يوجد فيه أي مخرج من الشك. في هذه الحالة، سيقوم أشباه الموصلات القائم على الكربون أن يكون المنقذ الذي سيظهر لنا مشهد "قرية جديدة"؟ في هذه المرحلة، كيف يمكن لأشباه الموصلات القائمة على الكربون الخروج من "الغرفة الزجاجية" من المختبر وأدرك حقا إمكاناتها لا يزال محور الاهتمام والصعوبات التي تواجهها الصناعة.

لدى أشباه الموصلات القائم على الكربون مزايا فريدة

بعد قانون مور، "القاعدة الذهبية" لصناعة أشباه الموصلات، فإن أداء رقائق أشباه الموصلات المستندة إلى السيليكون ستضاعف كل 18 إلى 24 شهرا. ومع ذلك، نظرا لأن أحجام رقاقة تستمر في الانكماش، خاصة عندما تدخل مستوى تقنية صناعة الرقائق العقدة المكونة من 5 نانومتر، فإن تطوير رقائق السيليكون يبدأ في مواجهة العديد من القيود المادية، وقد ظهرت الصناعة تدريجيا "قانون مور ميت" و " لقد انتهت التكنولوجيا المستندة إلى السيليكون ". وجهات النظر الأخرى. تعتبر أشباه الموصلات القائم على الكربون واحدة من التقنيات التخريبية في عصر ما بعد مور.

أشباه الموصلات المستندة إلى الكربون هي مواد أشباه الموصلات التي تم تطويرها على أساس المواد النانوية القائمة على الكربون، ومثلها النانيو النانيو (CNT) والجرافين. أشار تقرير أبحاث ITRS بوضوح إلى أن تركيز البحوث المستقبلية لصناعة أشباه الموصلات يجب أن تركز على الإلكترونيات القائمة على الكربون.

من أجل مواصلة قانون مور، واصل الباحثون استكشاف مواد جديدة وهياكل أجهزة جديدة. بالمقارنة مع التكنولوجيا التقليدية القائمة على السيليكون، ما المزايا التي تقوم بها أشباه الموصلات القائم على الكربون، والتي اجتذبت الباحثين العلميين الذين لا تعد ولا تحصى "تنافس"؟

قال الموظفون الفنيون في معهد أبحاث الدوائر المتكاملة القائم على الكربون في بكين في السابق مراسل "أخبار إلكترونيات الصين" أن التكنولوجيا القائمة على الكربون لديها أداء أفضل واستهلاك طاقة أقل من التكنولوجيا القائمة على السيليكون. على سبيل المثال، من المتوقع أن تقوم رقائق الكربون المستندة إلى عملية التسعينيات بنسبة 90 نانومتر بإنتاج رقائق تستند إلى السيليكون مع الأداء والتكامل معادلة عقدة تقنية 28 نانومتر، والرقائق المستندة إلى الكربون باستخدام عملية 28 نانومتر يمكن أن تحقق السيليكون رقائق تعادل عقدة تقنية 7 نانومتر.

يأخذ ما يباين، وهو باحث في معهد الدوائر المتكاملة، خزان تفكير CCID، الأنابيب النانوية الكربونية كمثال لإظهار المراسلين من أخبار إلكترونيات الصين حول المزايا التكنولوجية لأشباه الموصلات القائم على الكربون. "CNT (الكربون النانيوري) لديها تنقل حاملة عالية للغاية، وحجم جسم رفيع جدا الموصلية الحرارية الممتازة. مقارنة مع المعالجات المستندة إلى السيليكون، يمكن أن يكون سرعة التشغيل واستهلاك الطاقة من المعالجات المستندة إلى CNFET حوالي 3٪. ميزة اثنين مرات، أي ميزة منتج تأخير الطاقة (EDP) من حوالي 9 مرات. " ما قال ما ياوبرز للصحفيين.

استخدام مواد الجرافين هو أيضا دليل قوي على مزايا أشباه الموصلات على الكربون. وأشار ما يباين إلى الصحفيين أن الجرافين لديه خصائص ممتازة مثل التنقل العالي الناقل والتوصيل الحراري الجيد، والذي يسمح الترانزستورات الجرافين بالحصول على سرعة نقل إشارة عالية وتبديد حرارة جيدة. في المستقبل، من المتوقع أن يلعب الجرافين دورا مهما في تحقيق رقائق حجم أصغر وحزمة ثلاثية الأبعاد، وتحسين تبديد الحرارة رقاقة.

فجر تكنولوجيا النانيوتي الكربون

في الواقع، لم يبدأ سعي الناس واستكشاف مواد أشباه الموصلات القائمة على الكربون في السنوات الأخيرة. جذبت تكنولوجيا النانيوتوب الكربون باستخدام مواد جديدة دائما اهتمام عدد لا يحصى من العلماء. في عام 1991، تم اكتشاف الفيزياء اليابانية Sumio IIJIMA، الذي تم انتخابه كأكبرام أمريكي أجنبي للأكاديمية الصينية للعلوم، بشكل غير متوقع أنابيب الكربون الكربونية عندما استخدم مجهر إلكترون ناقل الحركة عالي الدقة لمراقبة منتجات ألياف الكربون التي تنتجها طريقة ARC. وفقا لملاحظاته، يتم تصنيع أنابيب النانيو الكربون من جزيئات الكربون المرتبة في شكل أنبوبي، والتي يمكن اعتبارها طبقة واحدة من الجرافيت تدحرجت في "اسطوانة"، والتي يجب إعدادها من مواد الكربون مثل قضبان الجرافيت من قبل خاص طريقة.

في أغسطس / آب 2019، أدت نتيجة بحثية لأوروبات الكربون مرة أخرى سلسلة "مرحبا، العالم" من الشخصيات المألوفة لكل مبرمج إحساس عالمي. أظهرت ورقة نشرت في مجلة الطبيعة أن ماكس شولكر وزملاؤه في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في الولايات المتحدة تمكنت من تصميم وبناء المعالجات الدقيقة النانوية النانوية الكربونية. هذا المعالج الدقيق هو المعالج الدقيق 16 بت تم تصنيعها باستخدام أكثر من 14000 ترانزستورات نانيوتوب الكربون (CNT). تتغلب طريقة التصميم والتصنيع على التحديات السابقة المتعلقة بإيضاعات النيران الكربونية ومن المتوقع أن تكون السيليكون في الأجهزة الإلكترونية الدقيقة المتقدمة. إحضار بديل عالي الأداء. تم تسمية هذا المعالج الدقيق "RV16X-Nano" ونفذ بنجاح برنامج في الاختبار، وتوليد رسالة: "مرحبا، العالم! أنا RV16XNANO، مصنوعة من الأنابيب النانوية الكربونية".

صرح ما يباين للصحفيين بأن الباحثين من TSMC، جامعة ستانفورد وجامعة كاليفورنيا، سان دييغو، طورت بشكل مشترك معا CNFET CNFET (Transistor Field Transistor الكربوني Nanotube) مع طول البوابة 10NM وسوق فرعي من 68 ميغابايت / ديسمبر.

في العام الماضي، فريق أكاديميين الأكاديميين في الأكاديمية الصينية للعلوم وأساتذة إدارة إلكترونيات إلكترونيات جامعة بكين بنغ ليانما وبروفيسور تشانغ تشيونغ نتائج البحث الرئيسية في مواد أشباه الموصلات القائم على الكربون أعطى أيضا الصناعة الأمل الجديد في عصر ما بعد الرضيع وبعد في 22 مايو 2020، نشر الفريق ورقة "صفيفات شبه الموصلات الكربونية ذات الكثافة ذات الكثافة عالية الكثافة للالكترونيات عالية الأداء" في مجلة العلوم، وإدخال أحدث تطوير الفريق لطرق التنقية المتعددة وأساليب التجميع الذاتي المقيدة بعدة الأبعاد. تحل الطريقة حدوث مشاكل النقاء المادي والكثافة والمنطقة التي تعاني طويلة من إعداد مواد أشباه الموصلات على الكربون.

التقدم المحرز في البحث حول أشباه الموصلات القائم على الكربون ليس دائما إبحار سلس. بعد "الأمواج الكبيرة"، أبحث في هذا المجال من قبل بعض المؤسسات والشركات قد توقفت. في وقت مبكر من عام 2014، صنعت IBM خطابا جريئا، قائلا إنه سيستخدم أنابيب النانيو الكربون لإنتاج رقائق 5 مرات أسرع من ذلك الوقت بحلول عام 2020، ولكن لا يوجد تقدم إضافي في البحث والتطوير.

تحتاج الدوائر القائمة على الكربون والقائم على السيليكون إلى تطويرها بشكل مختلف


على الرغم من أن أشباه الموصلات القائم على الكربون يمثلها الأنابيب النانوية الكربونية والجرافين لديها العديد من المزايا التقنية وإمكانات السوق واضحة للجميع، لا تزال هناك العديد من الصعوبات في التطبيقات ذات الجودة العالية والإنتاج الضخم والعملي لأشباه الموصلات القائم على الكربون.

ليس من السهل على أنابيب الكربون لتشكيل أفلام رقيقة لمعالجة دوائر VLSI. أعرب الأستاذ وان تشينغ من كلية العلوم الإلكترونية والهندسة بجامعة نانجينغ عن رأيه في مراسل "أخبار إلكترونيات الصين": إذا كان النمو الاتجاهي المباشر، فمن الصعب الحصول على فيلم أنابيب الكربون عالية الكثافة عالية الكثافة؛ لتلبية احتياجات تكنولوجيا الدوائر النانوية المساحية الكبيرة (12 بوصة) على نطاق واسع، قد تصبح إنتاجية الكتلة وإنتاجية المنتج تحديات.


تعتقد WAN Qing أنه على الرغم من أن جهاز واحد يستند إلى الكربون يعمل بالفعل بشكل جيد بالفعل، مقارنة بالدوائر المتكاملة للسيليكون، فإن أشباه الموصلات القائم على الكربون لا تزال تواجه مشاكل معينة في التكامل الناقل على نطاق واسع واسعة النطاق. من حيث طلبات الدوائر المتكاملة التقليدية، قد لا تتمكن دوائر أنبوب الكربون من التنافس مع الدوائر القائمة على السيليكون في الوقت الحاضر، لذلك قد يحتاج أشباه الموصلات القائم على الكربون إلى تطور متباين. في المستقبل، من المتوقع أن يجد مخرج في مجالات جديدة مثل الأنظمة الاستشعار والمرنة.


صرح ما يباين للصحفيين بأن إعداد الدفعات للنقاء أشباه الموصلات عالية جدا (99.9999٪)، في الخط (زاوية الاتجاه <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.


فيما يتعلق بالجرافين بالقلق، قال ما يباين إن ميزة فجوة الفرقة الصفرية من الجرافين الجوهري تجعل نسبة التبديل الترانزستور الجرافين صغير جدا، مما سيحد أيضا من تطبيق أشباه الموصلات القائم على الكربون في دوائر المنطق.


من "القيمة المثالية" للمختبر إلى التطبيق الواسع النطاق في السوق، فإن الطريق إلى التصنيع من أشباه الموصلات القائم على الكربون هو طويل وصعب. شو تشنغ، أستاذ في كلية العلوم بجامعة بكين جياوتونج، قال مراسل "أخبار إلكترونيات الصين" أنه في الوقت الحالي، حققت مواد أشباه الموصلات القائم على الكربون خصائص مادية، ولكن لجعل الأجهزة، يحتاجون إلى الخضوع للكثير من معالجة عملية. "إدراك التكنولوجيا وضمان أداء التكلفة هي الشروط الأساسية لتصنيع أشباه الموصلات القائم على الكربون." على الرغم من الصعوبات والتحديات، لا يزال شو تشنغ مليئا بالأمل في مستقبل أشباه الموصلات القائم على الكربون. "إذا تم تحسين مستوى تطوير المعدات ذات الصلة، فإن صناعة أشباه الموصلات القائمة على الكربون يمكن مع دعم المعدات الصناعية، من الممكن أن تحقق أشباه الموصلات القائم على الكربون لتحقيق تطور واسع النطاق والصناعي".

في الرحلة الطويلة لمعالجة أشباه الموصلات القائم على الكربون، تحتاج الصناعة إلى زراعة المهارات الداخلية وشكل تراكم منهجي للتكنولوجيا. قبل بضعة أيام، أعرب فريق Peng Lianmao الأكاديمي أيضا عن استعداده للقيام بالأشياء ذات المفتاح المنخفض للصحفيين. قد يكون هذا قادرا على التوضيح من الجانب أنه إذا كانت صناعة أشباه الموصلات القائمة على الكربون هي تحقيق مزيد من التطوير، فإن الصناعة لا تزال بحاجة إلى التركيز على البحث والتطوير وتكون إلى الأرض.