CNT晶体管迎来加速期,碳纳米管计算机初见端倪

2013-10-29 23:07:54来源: 技术在线
    使用单层碳纳米管(CNT)作为半导体材料的CNT晶体管终于迎来了开发加速的时期,并出现了在芯片上集成CNT晶体管,将其作为初级计算机试制系统的尝试。

       美国斯坦福大学电子工程学、计算机科学副教授萨巴辛·米特拉(Subhaish Mitra)的研究室制作出了集成178个CNT晶体管的CNT微处理器(图1)。经确认,该处理器通过外接存储器,能够作为可编程的计算机运行。

       这台CNT计算机沿袭现在的冯·诺伊曼计算机的基本构成。工作频率为1kHz,等同于1950年代初期使用晶体管的初级计算机(注1)。

(注1)原因是工作频率低、运行验证使用的电极大等,并非CNT晶体管本身的限制。

       执行AND和XOR的运算电路使用20个CNT晶体管,暂时保存数据的D闩锁电路使用9个CNT晶体管。运算内容可编程,而且可以执行英国Imagination Technologies(前美国美普思科技)的MIPS架构指令集中的20个基本指令(注2)。除此之外,还可以运行能够执行多任务的自主简易OS。

(注2)20个指令分别是:AND、ANDI、BGEZ、BLEZ、BLTZ、BNE、J、LB、NOOP、OR、ORI、SB、SLL、SLLV、SRA、SRL、SRLV、SUBU、XOR、XORI。

比肩1950年代的计算机

 
图1:178个CNT晶体管构成CNT微处理器
斯坦福大学的CNT微处理器的SEM照片。由178个CNT晶体管构成,尺寸约为7mm×0.8mm。算术运算使用20个CNT晶体管。(摄影:斯坦福大学)
使用大电流破坏金属型CNT

       这种计算机的CNT晶体管使用指向统一的CNT作为通道层(图2)。CNT首先在水晶基板上生长,然后再使用热剥离胶带,转印至Si/SiO2基板。在CNT中,半导体型的比例占到99.99%以上。

 

CNT晶体管的构成(a)与制造工艺(b)。在晶圆水平利用大电流破坏金属型CNT,使半导体型CNT的纯度提高到99.99%以上。
       一般来说,在单层CNT中,半导体型与金属型的比例为2比1,是开发CNT晶体管最大的课题。因为半导体型CNT中掺杂的金属型CNT一旦导致电极间发生短路,晶体管将无法按照预期执行操作。

       这一次,米特拉等人在制造工艺的后半段,逐一去除了每个集成电路的大部分金属型CNT,通过这种方法解决了课题。方法的名称叫做VMR(VLSI-compatible metallic CNT removal)。具体来说,就是先在Si/SiO2晶圆上制作CNT晶体管,再制作金(Au)临时布线,在电路中通入大电流,破坏金属型CNT。然后,去除Au布线,使用铂(Pt)等金属进行正式布线。“无论电路规模有多大,都可以使用VMR”(米特拉)。

追赶1970年代计算机

       另一方面,利用涂布工艺制作的CNT晶体管也出现了在500kHz以上的频率下工作的先例。如果利用这种晶体管制作CNT计算机,工作频率将一举达到美国英特尔在1970年代前期发表的第一款微处理器“4004”和“8008”的水平。

       这种涂布型CNT晶体管是由NEC、技术研究联盟单层CNT融合新材料研究开发机构(TASC)、东京大学合作开发。“工作性能足以应用于柔性显示器、传感膜的线控制电路”(NEC)。

       NEC表示,主要的改善有两处。一是电极的形成使用“超级喷墨(SIJ)法*”,使电极宽度从过去的大约50μm大幅缩小到了2μm(图3)。从而减少了极与源极/漏极的重叠,使寄生电容降低到了1/10。工作频率则因此得到了大幅提升。

*超级喷墨(SIJ)=液滴量仅为1f(飞)L的喷墨技术或装置。由日本产业技术综合研究所在2005年开发成功。

 
图3:利用印刷技术实现500kHz以上的工作频率
NEC等试制的涂布型CNT晶体管(a),涂布使用的超级喷墨(SIJ)装置(b),以及降低寄生电容的效果(c)。因为寄生电容小,所以工作频率高达500kHz以上。(图:(a)、(c)为《日经电子》根据NEC的资料制作)
半导体型CNT的纯度达到98%以上

       另一个改善之处,是大幅提高了利用电泳法分离溶液中金属型与半导体型CNT的技术的精度。NEC之前采用的方法能够将半导体型CNT的纯度提高到95%以上,但这种方法使用的CNT分散稳定剂会成为杂质残留,提高晶体管性能的进展不及预期。

       这一次,通过把半导体型CNT的纯度提高到98%以上,分散稳定剂的残留量减少到了过去的1/50。大幅提升了晶体管半导体层的品质,输出电流方面,原本-0.6μA的电流增加到了-6.2μA,达到了过去的10倍。

关键字:CNT  晶体管

编辑:北极风 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/xfdz/2013/1029/article_27186.html
本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。
论坛活动 E手掌握
微信扫一扫加关注
论坛活动 E手掌握
芯片资讯 锐利解读
微信扫一扫加关注
芯片资讯 锐利解读
推荐阅读
全部
CNT
晶体管

小广播

独家专题更多

TTI携TE传感器样片与你相见,一起传感未来
TTI携TE传感器样片与你相见,一起传感未来
TTI携TE传感器样片与你相见,一起传感未来
富士通铁电随机存储器FRAM主题展馆
富士通铁电随机存储器FRAM主题展馆
馆内包含了 纵览FRAM、独立FRAM存储器专区、FRAM内置LSI专区三大部分内容。 
走,跟Molex一起去看《中国电子消费品趋势》!
走,跟Molex一起去看《中国电子消费品趋势》!
 
电子工程世界版权所有 京ICP证060456号 京ICP备10001474号 电信业务审批[2006]字第258号函 京公海网安备110108001534 Copyright © 2005-2016 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved