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标题: 挑战硅谷：碳纳米管芯片达到Intel 386水平 [打印本页]

作者: Arcman 时间: 2019-10-23 13:06
标题: 挑战硅谷：碳纳米管芯片达到Intel 386水平
挑战硅谷：碳纳米管芯片达到Intel 386水平[color=rgba(0, 0, 0, 0.298)]

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硅谷（Silicon Valley），位于旧金山湾区，美国西海岸的中部。这里有我们熟知的谷歌、苹果、英特尔，这里是电子产业和计算机产业的王国。因其最早研究和生产以硅为基础的半导体芯片而得名，成为芯片发展和电子科技的传奇与神话。

硅谷掠影。图片来源于网络
近期，麻省理工学院（MIT）的Max M. Shulaker教授等研究者在Nature 杂志上报道了一种新型微处理器芯片，不再基于传统硅基晶体管，而是一种完全由碳纳米管场效应晶体管（carbon nanotube field-effect transistor, CNFET）构成的16位微处理器。该微处理器基于RISC-V指令集，在16位数据和地址上运行标准32位指令，包括超过14,000个互补金属氧化物半导体（CMOS）CNFET，并采用行业标准流程和工艺进行设计和制造。这是迄今为止用碳纳米管制造的最大的芯片，可以与1985年推出的基于硅晶体管的Intel 80386处理器相比。

碳纳米管芯片。图片来源：Nature
电子学正面临重大的挑战和转变，硅基晶体管的尺寸不断缩小，越来越接近它的物理极限——栅极长度5纳米，低于此极限将产生“短沟道效应”，晶体管就会失效。碳纳米管被认为是下一代晶体管的理想材料，其原子量级的管径保证了器件具有优异的栅极静电控制能力，更容易克服短沟道效应；超高的载流子迁移率则保证器件具有更高的性能和更低的功耗。既然碳纳米管场效应晶体管作为未来硅基晶体管的替代品如此有前景，那又是什么限制了碳纳米管晶体管的发展呢？

CNFET示意图。图片来源于网络
原因主要有三：（1）材料缺陷。虽然半导体型碳纳米管可以制备FET沟道，但合成过程中经常产生一定比例的金属型碳纳米管，几乎没有带隙，这将导致高泄漏电流和潜在的错误逻辑。（2）制造缺陷。在晶圆制造过程中，碳纳米管易于聚集，这些聚集体会降低CNFET电路的成品率。（3）可变性。互补电路需要制备互补的CNFET（p型和n型），而以前报道的技术缺乏可调谐性、空气稳定性和重复性。

完整的RV16X-NANO晶圆（直径150 mm）。图片来源：Nature
MIT研究者制造的RV16X-NANO，是目前实现的最大的非硅基CMOS系统，包含3762个CMOS数字逻辑，总计14702个CNFET。令人震惊的是，RV16X-NANO的制造工艺包括100多个加工步骤，实现了五层金属层的三维结构，有望改善布线拥挤的问题。作者对制造方法进行了详细的介绍，内容多达70多页。

RV16X-NANO的制造工艺流程。图片来源：Nature
研究者如何克服制约CNFET发展的三个困难呢？大体来说，首先，通过选择性机械剥离去除碳纳米管的缺陷，漂洗可使CNT的缺陷密度降低250倍以上。随后，在直径为150毫米的晶圆上沉积一层CNT；为了防止碳纳米管本身的聚集，研究者开发了一种称为“冲洗（Rinse）”的工艺。在使用冲洗剂克服CNT固有的制造缺陷后，混合处理技术被用来克服稳定性的挑战。利用原子层沉积法，CNFET被封装在氧化物内，与周围环境隔离。金属源/漏触点的设计，进一步优化了p-和n-碳纳米管场效应晶体管。

混合处理技术原理图。图片来源：Nature
RV16X-NANO芯片里晶体管沟道长度约为1.5微米，相当于1985年推出的硅芯片中的Intel 80386。不过相对来说，80386的运行频率为16 MHz，而碳纳米管芯片最大频率仅为1.19 MHz，这仍是未来需要改进的指标。

Intel 80386。图片来源于网络
无论如何，这项工作还是在实验上证实了一条通向实用化的超越硅电子系统的道路。研究者利用RV16X-NANO芯片，执行了C语言圣经“The C Programming Language”一书中著名的程序“Hello, World”，在屏幕上打出了“Hello, World! I am RV16XNano, made from CNTs”这一段具有历史意义的话。

RV16X-NANO芯片实验数据。图片来源：Nature
你好，世界！这是碳纳米管芯片向你发出的声音！
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Modern microprocessor built from complementary carbon nanotube transistorsGage Hills, Christian Lau, Andrew Wright, Samuel Fuller, Mindy D. Bishop, Tathagata Srimani, Pritpal Kanhaiya, Rebecca Ho, Aya Amer, Yosi Stein, Denis Murphy, Arvind, Anantha Chandrakasan, Max M. ShulakerNature, 2019, 572, 595–602, DOI: 10.1038/s41586-019-1493-8
（本文由小希供稿）

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