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中国科学家发现碳纳米管材料制造电子产品新潜力

  2019-12-26 字体:【大】 【中】 【小】

在过去的几年里,研究人员提出了几种可以最终替代硅互补金属氧化物半导体(CMOS)器件的材料。一些可能性的选择都是基于碳纳米管(CNT)的电子产品,可以利用多种不同的技术来制造碳纳米管。

专家预计到2020年底,硅互补金属氧化物半导体(CMOS)的使用将开始迅速下降,但还没有确定一类可以有效维持硅的计算能力的替代材料。

北京大学和湘潭大学的研究人员最近进行了一项研究,主要研究碳纳米管材料在制造电子产品中的潜力。

研究结果发表在《自然电子》上,研究人员讨论了随着时间的流逝,纳米管基CMOS场效应晶体管的发展,同时重点介绍了电子制造商当前可主要采用的一些CNT材料。

彭连茂表示:“ CNT是一种理想的电子材料,可提供其他半导体根本无法利用的解决方案,尤其是缩小到10 nm以下时。在这项工作中,我们证明了基于CNT的电子产品有可能大大超越硅技术(通过实验证明是其十倍的优势),并且可以使用碳纳米管来构建大规模集成电路(IC)。”

CNT的相关物理参数,例如其结构和电子性质,在电子领域中是众所周知的。为了有效地探索CNT材料的潜在局限性。彭连茂和同事着重研究这些特定参数,分析了各个CNT的性能和质量。

结果表明,在低于10 nm的技术节点上,CNT晶体管的速度可以比硅晶体管快3倍,能源效率高4倍。

“我们证明,即使使用非常有限的大学制造设施,也可以制造出许多性能优于硅晶体管的晶体管,这表明芯片行业可以在目前的速度下前进数十年。”

这项研究结果提供了进一步的证据,表明CNT晶体管是当前硅CMOS器件的可行且理想的替代方案。在分析中,研究人员还强调了迄今为止已开发的中规模集成电路的一些优缺点,以及当前阻碍其大规模实施的挑战。

开发具有新型3-D芯片结构的集成电路(IC)可以进一步提高CNT材料的性能,使其强度提高数百倍。他们的分析和其他研究小组收集的先前研究结果最终表明,CNT技术有可能在后摩尔时代提供更强大,更节能的芯片技术。

目前我国可以在单个CNT上制造很少的超强大晶体管,但不能制造非常复杂的IC。另一方面,我们可以使用CNT薄膜在三个维度上构建具有超过10k晶体管的CNT基IC,但性能却非常有限。

未来需要结合两个研究方向,以构建高性能的大型使用CNT膜的大规模集成电路,其性能超过了硅芯片技术。

(中国科学院上海硅酸盐研究所)
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