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碳纳米管晶体管从实验室到工厂车间的飞跃

碳纳米管晶体管从实验室到工厂车间的飞跃
发布日期:2020-06-22 浏览次数:93

碳纳米管晶体管离商业现实更近了一步,因为麻省理工学院的研究人员已经证明,这些设备可以在商业设施中迅速制造,其设备与制造硅基晶体管的设备相同,而硅基晶体管是当今计算行业的支柱。

碳纳米管场效应晶体管(CNFET)比硅场效应晶体管更节能,可用于构建新型的三维微处理器。但直到现在,它们大多存在于学术实验室中,只少量制作用于学术实验用。

然而,在6月1日发表在《自然电子》上的一项研究中,科学家们展示了如何在计算机芯片设计行业标准的200毫米晶圆上大量制造CNFET。CNFET 在美国一个商业硅制造工厂和一家半导体铸造厂中制造。

麻省理工学院电气工程和计算机科学助理教授马克斯·舒拉克和他的同事,在分析了用于制造CNFET的沉积技术后,和他的同事们做了一些改变,使制造过程比传统方法快了1100多次,同时也降低了生产成本。该技术将碳纳米管边缘沉积在晶圆的边缘,14,400个由14,400阵列进行CFNET,分布在多个晶圆上。

舒拉克(Shulaker)自博士时代起就一直在设计CNFET,他说,新研究表明“这是向生产级设施迈进的一大步。”

弥合实验室和工业之间的差距是研究人员"不常有机会做的事情",舒拉克补充道。"但它是新兴技术的重要试金石。

麻省理工学院的其他研究人员包括第一作者明迪·毕晓普(Mindy D. Bishop)。 哈佛-麻省理工学院健康科学与技术计划的学生,盖奇·希尔斯(Gage Hills),如来他尼(Tathagata Srimani)和克里斯蒂安·刘(Christian Lau)。

解决意大利面的问题

几十年来,硅晶体管制造的改进降低了价格,提高了计算的能源效率。然而,这一趋势可能接近尾声,因为越来越多的晶体管被封装在集成电路中,已经没有了提高能源效率空间。

舒拉克说,CNFET是一种有吸引力的替代技术,因为它们比硅基晶体管"能效高一个数量级"。

与硅基晶体管不同,在450至500摄氏度左右的温度下制造,CNFET也可以在近室温度下制造。“这意味着您实际上可以在先前制造的电路层之上直接构建电路层,以创建三维芯片。”舒拉克解释说 “基于硅的技术不能做到这一点,因为会熔化下面的电路层。”

他说,一种三维计算机芯片,可以结合逻辑和内存功能,预计将"击败最先进的二维芯片由硅生产的数量级"。

在实验室中构建CFNET的最有效方法之一是沉积纳米管的方法,称为孵化。在这种方法中,将晶片浸入纳米管浴中,直到纳米管粘在晶片表面上。

毕晓普说,CNFET的性能很大程度上取决于沉积过程,这既影响晶圆表面的碳纳米管的数量,也影响其方向。她说,它们“要么像煮熟的意大利面条那样以随机的方向粘贴在晶圆上,要么像未煮过的意大利面条一样都以相同的方向排列在包装中”。

在 CNFET 中完美对齐纳米管可带来理想的性能,但很难获得对齐。"在200毫米大晶圆上以完美的方向放置数十亿个直径1纳米的微小纳米管真的很难。"毕晓普解释道,“要将这些微小的东西完美地放在晶圆中,就像试图用完全定向的干意大利面覆盖整个新罕布什尔州一样。”

孵化方法虽然适用于工业,但根本不对纳米管进行对齐。毕晓普说,它们最终更像煮熟的意大利面片,研究人员最初认为这种意大利面不能提供足够高的CNFET性能。然而,经过他们的实验,她和她的同事得出结论,简单的孵化过程将有助于生产出CNFET优于硅基晶体管。

烧杯之外的CNFET

对孵化过程的仔细观察,向研究人员展示了如何改变该过程,以使其更适于工业生产。例如,他们发现干式循环(一种间歇性地干燥浸没的晶圆的方法)可以将孵化时间从48小时大幅减少到150秒。

另一种称为ACE(通过蒸发的人工浓缩)的新方法将少量纳米管溶液沉积在晶片上,而不是将晶片浸没在槽中。溶液的缓慢蒸发增加了碳纳米管的浓度和沉积在晶片上的纳米管的总密度。

毕晓普说,必须先进行这些更改,然后才能在工业规模上尝试该工艺:“在我们的实验室中,我们可以将晶圆在烧杯中放置一个星期,效果非常好,但是对于公司而言,没有这么奢侈时间。”

她说,“非常简单的测试”帮助他们理解和改进了孵化方法,“对于解决学者们在考虑建立新流程时可能没有的,但肯定有行业的关注,事实证明这一点非常重要。 ”

研究人员与商业硅制造厂Analog Devices和半导体铸造厂SkyWater Technology合作,使用改进的方法制造CNFET。他们能够使用两个制造硅基晶片工厂的相同设备,同时还确保纳米管解决方案,满足工厂对化学和污染物的严格要求。

毕晓普说:“我们非常幸运能与我们的行业合作者紧密合作,了解他们的要求并通过他们的投入来迭代我们的开发。”毕晓普指出,这种合作关系帮助他们开发了自动化、大批量和低成本的流程。

舒拉克补充说,这两个设施显示出“对研发和探索前沿技术的认真承诺”。

他说,下一步工作将是在工业环境中利用CNFET构建不同类型的集成电路,并探索3-D芯片可以提供的一些新功能。 “下一个目标是将学术上有趣的东西转化成人们将要使用的东西,我认为这是朝这个方向迈出的非常重要的一步。”

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