研究突出了纳米管数字电子学的潜力

2020-01-15 16:47:10

电子工程领域的一些专家认为,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。尽管他们做出了预测,但目前还没有一种替代材料能够有效地维持新设备的计算能力,同时保持良好的能源效率。

在过去的几年里,研究人员提出了几种最终可以替代现有CMOS器件的材料。一些最有前途的候选者是基于碳纳米管(CNT)的电子学,它可以使用多种不同的技术来制造。

北京大学和中国湘潭大学的一组研究人员最近进行了一项研究,调查碳纳米管材料在制造电子产品方面的潜力。在他们发表在《自然电子》杂志上的论文中,研究人员讨论了随着时间的推移,基于纳米管的CMOS场效应晶体管的发展,同时也强调了目前电子制造商可用的一些CNT材料。

“碳纳米管是一种理想的电子材料,它可以解决其他半导体根本无法解决的问题,尤其是当其尺寸小于10纳米时,”参与这项研究的研究人员之一彭连茂告诉TechXplore。“在这项工作中,我们证明了基于碳纳米管的电子技术有潜力在很大程度上超越硅技术(实验证明有十倍以上的优势),而且大规模集成电路(ICs)可以用碳纳米管来构建。”

碳纳米管的相关物理参数,如结构和电子性质,在该领域已是众所周知。为了有效地探索碳纳米管材料的潜在局限性,彭和他的同事张志勇和邱晨光分析了单个碳纳米管的性能和质量,重点关注这些具体参数。

彭解释说:“我们的结果表明,在低于10纳米的技术节点上,CNT晶体管比硅晶体管快3倍,节能4倍。”“我们证明,即使使用非常有限的大学制造设备,我们也可以制造出比硅晶体管性能好很多倍的晶体管,这表明芯片行业可以以目前的速度再向前发展几十年。”

彭和他的同事进行的研究提供了进一步的证据,表明CNT晶体管是当前硅CMOS器件的可行和理想的替代品。在他们的分析中,研究人员还强调了迄今为止开发的中等规模集成电路的一些优点和缺点,以及目前阻碍大规模实施的挑战。

据彭和他的同事们说,开发带有新型3d芯片结构的集成电路(ic)可以进一步提高碳纳米管材料的性能,使其性能提高数百倍。他们的分析和之前其他研究团队收集的发现最终暗示了CNT技术有可能成为后摩尔时代提供更强大、更节能的芯片技术的解决方案。

彭说:“目前,我们只能在单个碳纳米管上制造少量功能强大的晶体管,而不是非常复杂的集成电路。”“另一方面,我们可以用CNT薄膜在三维空间中制造超过10k个晶体管的CNT基集成电路,但性能非常有限。”在未来,我们需要结合两个研究方向,利用CNT薄膜构建高性能大规模集成电路,其性能要超过硅芯片技术。”


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