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d3,摩尔定律完结?下一代芯片技术发展的出路在哪里?「碳」或许能给咱们答案,朴孝敏

2019年05月05日 03:48:19     作者:admin     分类:最近大事件     阅读次数:298    

(图片来历:neatoshop.com)

摩尔规则

摩尔规则

摩尔规则是由英特尔创始人之一戈登·摩尔(Gordon Moore)提出来的。其内容为:当价格不变时,集成电路上可包容的元器材的数目,约每隔18-24个月便会增加一倍,功能也将进步一倍。这一规则提醒了信息技能进步的速度。

摩尔规则通知咱们,集成电路特征标准随时刻是依照指数规则缩小的。可以说,它是集成电路开展的风向标。假如硅基芯片走到“走投无路”,就意味着芯片上所能包容的元器材数目到达了极限,那么芯片功能也就无法持续进步了。浅显一点,核算机更新换代的年代就完毕了。这听起来十分耸人听闻,但却的确是一个实在而严峻的问题。

咱们必定很猎奇,为什么摩尔规则就走到头了,特征标准不能在持续小下去,这就要回到咱们所用的硅基资料的问题上。

硅基CMOS技能

CMOS 是 Complementary Metal Oxide Semiconductor(互补金属氧化物半导体)的缩写,它是指制造大规模集成电路芯片用的一种技能或用这种技能制造出来的芯片。而硅基CMOS便是以硅为衬底的芯片。

高功能电子型和空穴型场效应晶体管(field effect transistor, FET)的制备及集成是硅基CMOS技能的中心。晶体管标准的减小会导致器材加工越来越困难,其中有两大问题:一是器材的加工精度,二是半导体资料掺杂的均匀性。

首要,器材的加工精度遇到了问题。这其实很简单了解,芯片上晶体管的标准越来越小,加工天然越来越难,技能要求也越来越多。

其次,硅这种半导体资料的均匀掺杂遇到了问题,尤其是当期间标准到达纳米量级。半导体资料的掺杂是为了完成器材的电学性质,掺杂呈现了问题,必定会严重影响晶体管电学性质的功能和安稳性。

硅基CMOS技能遇到瓶颈,摩尔规则面对极限,那么咱们最想问的必定是:这个问题是否就无解了?

IBM公司曾在2015年度的世界固态电路会议上宣告,微电子工业走到7纳米技能节点时将不得不抛弃运用硅作为支撑资料,非硅基纳电子技能将会鼓起。IBM 的体系核算标明,比较于硅芯片,10纳米技能节点碳纳米管芯片在功能和功耗方面都有显着改进。

例如,从硅基7纳米技能到5纳米技能,芯片速度大约进步20% ;而比较硅基7纳米技能,碳纳米管7纳米技能的芯片速度将进步300%。IBM 乃至宣告,由碳纳米管构成的芯片将于2020年之前成型 。

作为与硅同为四族元素的碳,好像成了未来的期望。那问题又来了,为什么是碳基资料?下面咱们一同来看一下碳基资料的优势。

碳基资料的优势及应战

电子学中的碳基资料首要有碳纳米管、石墨烯、富勒烯。咱们首要给咱们介绍一下呼声最高的碳纳米管和石墨烯。

1碳纳米管

碳纳米管

碳纳米管是在1991年由日本筑波NEC试验室的物理学家饭岛澄男发现的。它是一种管状的碳分子,依照管子的层数不同,分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。管子的半径方向十分细,只要纳米标准,几万根碳纳米管并起来也只要一根头发丝宽,碳纳米管的称号也因而而来。而在轴向则可长达数十到数百微米。

碳纳米管具有极端优异的电学、光学、热学、磁学以及力学功能,是抱负的纳电子和光电子资料。为什么这么说呢?咱们无妨来看一个参数:

室温下,硅基场效应管的电子迁移率是1000 cm/(V·s),而碳纳米管场效应管中电子迁移率可以到达100000 cm/(V·s),是硅基场效应管的100倍左右。

而电子迁移率首要影响到晶体管的两个功能:一是电导率,迁移率越大,电阻率越小,经过相同电流时,功耗越小,电流承载才能就越大。二是影响器材的作业频率,进步载流子迁移率,可以下降功耗,进步器材的电流承载才能,一起进步晶体管的开关转化速度。

这仅仅碳纳米管许多优胜性质中的一个,它还具有许多其他优异的功能,例如导电功能、导热功能等等。可是井蛙之见,可见一斑,比较于硅基资料,它的功能的确十分优胜,因而也成为了碳基资料的抢手候选。

2石墨烯

石墨烯

石墨烯是一种由碳原子组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜,厚度只要一个碳原子。2004年英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫,成功地在试验中从石墨顶用胶带粘出了石墨烯(对,没错,便是用胶带粘)。

在此之前,石墨烯这种结构被以为不能安稳存在,一经发现,马上引起了研讨的热潮。不过,咱们在这里首要重视石墨烯在电子学中的使用。

和碳纳米管相似,室温下石墨烯相同具有远高于商用硅片的高载流子迁移率,而且噪声很低,受温度和掺杂效应的影响很小,十分合适用于晶体管的制造。

石墨烯电子的费米速度和很低的触摸电阻则有助于进一步减小器材开关时刻,使得由石墨烯制成的纳电子器材可以有超高频率的操作呼应。

除此之外,它还有许多优胜的力学性质,比方在物理方面的弹性模量可达1 TPa,本身的强度是130 GPa,因而十分合适用于设备制造。现在,石墨烯的场效应晶体管现已能用标准化的光刻办法制备。

除了在用于制造晶体管,石墨烯还有许多其他的优胜性质,使它可以在电子学其他范畴大展拳脚,例如它杰出的透光率和导电性,可以作为通明电极用于发光二极管,大大削减通明电极薄膜的厚度等等。

简而言之,碳基资料真看起来十分优异,但为什么现在依然没有大规模使用呢?一方面是现在硅基资料还没有到达极限,研制和替换生产线需求各个公司投入许多本钱;另一方面,它本身在使用方面也面对许多应战,比方各种资料的制备,能隙操控,载流子浓度操控等等。但针对这些问题,世界各地的科研团队都在尽力探究,并给出了开始的解决办法,在咱们的有生之年可以看到碳基资料使用于咱们的日常日子仍是十分有期望的。

参考文献

[1] 彭练矛. 2020年之后的电子学:碳基电子学的机会和应战[C]// 我国真空学会2012学术年会论文摘要集. 2012.

[2] 廖志宇. 单层石墨烯在场效应晶体管中的使用研讨[D]. 湖南大学, 2011.

[3] https://wenku.baidu.com/view/80858e1d03020740be1e650e52ea551810a6c995.html

出品 | 科普我国

制造 | 中科院物理所科学传达协会

监制 | 我国科学院核算机网络信息中心

修改:可乐不加冰、Cloudiiink

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