Welches kann Graphen, Graphen oder Kohlenstoffnanometer ersetzen?

Wie allen bekannt ist, stand die globale IC-Industrie unter dem "Glanz" des Moore'schen Gesetzes auf dem Weg zu Silizium, aber als die Mainstream-Entwicklung der CMOS-Technologie auf 10 nach Nanometer-Technologieknoten erfolgte, entwickelte sich immer mehr aus der Gesetze der Physik und die Begrenzung der Herstellungskosten, Moores Gesetz könnte dem Ende gegenüberstehen.

Am 20. Januar veröffentlichte die wissenschaftliche Spitzenzeitschrift Nature das Forschungsinstitut für Speerspeere und physikalische Elektronik des Pekinger Universitätsprofessors Peng, stellvertretender Direktor des Zhang-Teams für den Weltklasse-Durchbruch auf dem Gebiet der Kohlenstoff-Nanoröhren-Elektronik: Vorbereitung des Nanometer-Gates 5 für das Erstmalige Hochleistungs-Kohlenstoffnanoröhrentransistoren, die ihre Leistung über den gleich großen Silizium-CMOS-Feldeffekttransistor hinaus beweisen, bringen die Transistorleistung auf die Theorie.

Graphen VS Kohlenstoffnanoröhren für Siliziumnachfolger?

Am 20. Januar veröffentlichte die führende wissenschaftliche Zeitschrift Nature das Forschungsinstitut für Speerspeere und physikalische Elektronik des Pekinger Universitätsprofessors Peng, stellvertretender Direktor des Mr. Zhang-Teams für den Weltklasse-Durchbruch auf dem Gebiet der Kohlenstoff-Nanoröhren-Elektronik: Vorbereitung des Nanometer-Gates 5 für das Erstmalige Hochleistungs-Kohlenstoffnanoröhrentransistoren, die ihre Leistung über den gleich großen Silizium-CMOS-Feldeffekttransistor hinaus beweisen, bringen die Transistorleistung auf die Theorie.

Am 27. Februar sendete der CCTV-Nachrichtensender eine spezielle Sendung "Die Magie des Graphens", die in der Sendung erwähnt wird. Es wird erwartet, dass Graphen Silizium als Hauptmaterial der nächsten Generation von Chips ersetzt. Mit Graphen wird eine neue Generation von Geräten hergestellt Es wird erwartet, dass die Ecke der Implementierung der Chipherstellung die internationale Überholspur erreicht.

Wie allen bekannt ist, stand die globale IC-Industrie unter dem "Glanz" des Moore'schen Gesetzes auf dem Weg zu Silizium, aber als die Mainstream-Entwicklung der CMOS-Technologie auf 10 nach Nanometer-Technologieknoten erfolgte, entwickelte sich immer mehr aus der Gesetze der Physik und die Begrenzung der Herstellungskosten, Moores Gesetz könnte das Ende sehen. In mehr als 20 Jahren hat die wissenschaftliche Gemeinschaft und Industrie alle Arten von neuen Materialien und neuen Technologien erforscht, das Prinzip des Transistors soll die Silizium-CMOS-Technologie ersetzen Bisher kann jedoch keine Organisation neue 10-nm-Geräte erreichen, und keine neuen Geräte können die beste Leistung in mehr als echten Silizium-CMOS-Geräten erzielen.

Kohlenstoff jenseits von Silizium?

Im Jahr 2005 wird die ITRS-Kommission (International Semiconductor Technology Route Map) zum ersten Mal explizit um 2020 ihre Leistungsgrenze erreichen. In einer Ära, in der das Studium der Technologie integrierter Schaltkreise immer dringlicher geworden ist, denken viele Menschen, dass die Mikroelektronik Industrie nach dem Besuch der sieben Nanotechnologie Knoten muss möglicherweise aufgeben, weiterhin Silizium als Transistorleitungskanal zu verwenden. In einem der wenigen Ersatzmaterialien wird Kohlenstoff-Nanomaterial als das wahrscheinlichste Ersatz-Silizium-Material anerkannt.

2008 ITRS-Forschungsmaterial und neue Forschungsgeräte, die alle möglichen alternativen Silizium-CMOS-Technologien untersuchen, die speziell für die Halbleiterindustrie empfohlen werden und sich auf kohlenstoffbasierte Elektronik konzentrieren, erschienen als Geschäftswert für die nächste Generation elektronischer Technologie in den nächsten 5 bis 10 Jahren. Das National Science Foundation Committee (NSF) seit mehr als zehn Jahren zusätzlich zum nationalen Nanotechnologie-Programm in den USA weiterhin Kohlenstoff-Nanomaterial und verwandte Geräte geben wichtige Unterstützung, im Jahr 2008 hat die "more than Moore's Law Science and Engineering" ins Leben gerufen Das Projekt, einschließlich der Forschung im Bereich der Kohlenstoffelektronik, hat höchste Priorität. Angesichts der zunehmenden Investitionen in die Forschung im Bereich der Kohlenstoffelektronik begann das nationale Nanoprogramm, das 2010 begann, um "2020 Jahre nanoskalige Elektronik" auf einen der drei bekanntesten Pläne zu setzen ( signatureinitiatives). Neben den Vereinigten Staaten haben auch die Europäische Union und andere Regierungen Attache s große Bedeutung für die Kohlenstoff-Nanomaterialien und die damit verbundene Forschungs- und Entwicklungsanwendung für Elektronik, das Layout und die Erreichung der beherrschenden Höhen der Kernbereiche der Informationstechnologie.

Kohlenstoffnanoröhrenmaterialien, es gibt zwei, die Silizium am wahrscheinlichsten ersetzen, Kohlenstoffnanoröhren und Graphen. Bevor das Graphen einen Nobelpreis erhielt, wurde Kohlenstoffnanoröhren lange als das wahrscheinlichste Siliziumhalbleitermaterial angesehen, und jetzt aufgrund des Fanatismus von Graphen im globalen Bereich scheint es anstelle von Kohlenstoffnanoröhren Graphen und Kohlenstoffnanoröhren zu geben. Wer kann also am höchsten sein?

Vorteile von Kohlenstoffnanoröhren und aktuelle Situation bei der Entwicklung der Forschung und Entwicklung integrierter Schaltkreise

Im Jahr 1991 entdeckte Japans NEC mari, dass der klare Mann in hochauflösenden Transmissionselektronenmikroskop-Inspektionsgraphitgeräten aus kugelförmigen Kohlenstoffmolekülen versehentlich eine röhrenförmige koaxiale Nanoröhre aus Kohlenstoffmolekülen entdeckt hat, die heute als Kohlenstoffnanoröhren CNT, auch als Bucky Tube bekannt, bekannt ist .

Das Material von Kohlenstoffnanoröhren weist hervorragende elektrische Eigenschaften auf. Die Mobilität von Kohlenstoffnanoröhren bei n-Typ- und p-Typ-Ladungsträgern (Elektronen und Löcher) bei Raumtemperatur ist symmetrisch und kann weit über die herkömmlichen Halbleitermaterialien hinaus 10000 cm2 / (V? S) erreichen Zusätzlich zum Durchmesser von nur 1 bis 3 nm Kohlenstoffnanoröhren ist es wahrscheinlicher, dass die Netzspannung offen und abgeschaltet ist, was sehr effektiv ist.

Die Vorteile von Kohlenstoffnanoröhren gegenüber dem Silizium:

1) Der Trägertransport ist eindimensional. Dies bedeutet, dass der Phasenraum der Trägerstreuung verringert wird, was die Möglichkeit eines ballistischen Transports eröffnet. Entsprechend geringer Stromverbrauch.

2) Die chemischen Bindungen aller Kohlenstoffatome sind miteinander verbunden. Daher ist es nicht erforderlich, einen chemischen Passivierungsprozess zu eliminieren, um Ähnliches zu beseitigen, das in der Oberfläche einer Siliziumsuspension vorhanden ist. Dies bedeutet, dass die elektronische Kohlenstoffnanoröhre keine hat Zur Verwendung einer Silica-Isolierung können direkt eine hohe Dielektrizitätskonstante und Kristallisolatoren verwendet werden.

3) Eine starke kovalente Bindungsstruktur kann dazu führen, dass das Kohlenstoffnanoröhrchen eine hohe mechanische Stabilität und thermische Stabilität aufweist und das em eine gute Beständigkeit aufweist und der Stromdichte von bis zu 10 a / cm standhält.

4) Sie sind die Schlüsseldimensionen, nämlich, dass der Durchmesser anstelle des herkömmlichen Herstellungsprozesses durch chemische Reaktion gesteuert wird.

5) Im Prinzip können sowohl aktive Komponenten (Transistoren) als auch Verbindungsverbindungsleitungen durch die Halbleiter- und Metallattribute von Kohlenstoffnanoröhren erfolgen.

Graphen VS Kohlenstoffnanoröhren für Siliziumnachfolger?

Das Forschungsteam der Universität Stanford verwendete, wie in (a) gezeigt, die Herstellung eines Kohlenstoffnanoröhren-Arrays, wie in (b) des weltweit ersten Kohlenstoffnanoröhren-Computers gezeigt, (c) die Hauptfunktion von elektronenmikroskopischen Einzelabtastbildern

Der Forschungsfortschritt von Kohlenstoffnanoröhren-Halbleiterbauelementen:

Graphen VS Kohlenstoffnanoröhren für Siliziumnachfolger?

In den letzten Jahren hat die Forschung auf der Basis von Kohlenstoffnanoröhren der kohlenstoffbasierten Elektronikforschung eine rasante Entwicklung erreicht und sich allmählich von der Grundlagenforschung zur praktischen Anwendung entwickelt. Dank der hervorragenden Eigenschaften des Materials selbst und der Welt der Politik und der finanziellen Unterstützung sowie des Forschungs- und Entwicklungspersonals In der Gerätephysik haben die Geräteherstellung von Kohlenstoffnanoröhren, die Integrationsmethode usw. beträchtliche Erfolge erzielt, die auf der Höhe der anderen Nanomaterialien nie erreicht wurden.

Untersuchungen zeigen, dass im Vergleich zu herkömmlichen elektronischen Geräten auf Kohlenstoffbasis auf Siliziumbasis 5- bis 10-fache Geschwindigkeits- und Stromverbrauchsvorteile erzielt werden können, die unter einem 5-nm-Knoten der Halbleitertechnologie erzielt werden können und die neue Nachfrage nach der Entwicklung von Halbleiterchips nach 2020 befriedigen Entwickler haben die grundlegende Logikeinheit mit einer Vielzahl von Funktionen implementiert, im Prinzip können Sie diese Logikeinheit verwenden, die mit hoher Komplexität der kohlenstoffbasierten integrierten Schaltung hergestellt wurde.

Das 2013 von Forschern der Universität Stanford veröffentlichte Nature-Magazin verwendet 178 Kohlenstoffnanoröhrentransistoren aus Computerprototypen. Der MIT-Technologiebericht berichtete, dass die USA im Jahr 2014 laut IBM-Unternehmen vor der Verwendung von Kohlenstoffnanoröhren im Jahr 2020 fünfmal schneller als Bestehende Chip-Halbleiterchips. Die in relevanten Medien veröffentlichten IBM-Ergebnisse zeigen, dass sich der auf Kohlenstoffnanoröhren basierende Halbleiterchip in Bezug auf Leistung und Energieverbrauch besser als herkömmliche Siliziumchips verbessert hat: Die Siliziumhalbleitertechnologie von 7 nm auf 5 nm Knoten, der entsprechende Chip-Leistungssteigerung von etwa 20% und 7 Nanotechnologie-Knoten der kohlenstoffbasierten Halbleitertechnologie 300% höher als die Leistung der siliziumbasierten 7 nm, 15 Generationen der siliziumbasierten Technologieverbesserung. Diese Entwicklungen haben die Halbleiterindustrie gesehen Zu Beginn der Ära wird erwartet, dass die Elektronik auf Kohlenstoffbasis die Leistung weiter verbessern wird ce von Moores Gesetz bis 2050.

Kohlenstoffnanoröhren weisen jedoch Einschränkungen auf, künstliche Kohlenstoffnanoröhren sind eine Kombination aus Metall- und Halbleitereigenschaften. Diese beiden Eigenschaften von Kohlenstoffnanoröhren "haften" gegenseitig an einem Seil oder Balken und verwenden Kohlenstoffnanoröhren, da nur die elektrischen Eigenschaften von Nanoröhren Transistoren aufweisen Leistung. Die bestehende Herstellungsmethode zur Herstellung der Kohlenstoffnanoröhren ist eine Mischung aus allen Arten von chiralen und unterschiedlichen Rohrdurchmessern, Chiralität und Rohrdurchmesser ist unterschiedlich, als direkte Folge der qualitativ unterschiedlichen Leitfähigkeit, die Kohlenstoffnanoröhren macht, gibt es viele Schwierigkeiten praktischste Anwendungen.

Professor Peng Lian Spear in einem Interview, dass die derzeitige Forschungsrichtung von IBM zu Kohlenstoffnanoröhren gemischte Präparationsmethoden sind, und üben den Speer und die Zhang Peng-Gruppe USES ist eine undotierte Präparation. Dies ist die weltweit erste, ihr Team nach 10 Jahren Forschung. entwickelten die undotierte Herstellungsmethode, die am 10-Top-Gate-CMOS-Nanokohlenstoff-Nanoröhren-Fet, dem p-Typ- und n-Typ-Bauelement unter der niedrigeren Arbeitsspannung (0,4 V), der Leistung als der Strom am besten und der Arbeit unter der höheren Arbeitsspannung ( 0,7 V) Silizium-CMOS-Transistoren. Jetzt überwinden sie die Grenzgröße des Prozesses, entwickelten erfolgreich die 5 nm Gate-Länge Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Transistoren, deren Leistung nahe an der Grenze liegt, wird durch die Prinzipien der quantenmechanischen Theorie bestimmt.

Der Status und Fortschritt von Graphen Fet

Graphen ist eine zweidimensionale Struktur aus Kohlenstoffmaterial, da es keine Bandlückeneigenschaften aufweist, selbst wenn der Träger bei Raumtemperatur im mittleren freien Weg von Graphen und der Kohärenzlänge auch für Mikrometer verwendet werden kann, so dass es sich um eine Art handelt Hervorragende leitfähige Materialien.Graphen-Feldeffektgerät ist eine der wichtigsten Herausforderungen, wie die Bandlücke vergrößert und ihre Mobilität nicht verringert werden kann.

Graphen-Transistoren weisen im Vergleich zu herkömmlichen Silizium-Halbleitertransistoren die folgenden Merkmale auf:

(1) unter der Kontrolle des elektrischen Feldes, die Arten von Ladungsträgern in Graphen bis zur kontinuierlichen Variation zwischen den Elektronen und Löchern, bipolare elektrische Leitfähigkeit. GFP kann daher nicht wie herkömmliche Halbleitertransistoren effektiv geschlossen werden, nicht geeignet für Logik in der Stadt von Geräten. Aber eine neue Art von Struktur könnte auf dem Graphit basieren, der einen hohen Schaltstrom des Geräts assoziiert;

(2) Die Trägermobilität von Graphen ist sehr hoch, aber auch W durch die elektrische Feldsteuerung im Bereich der Hochfrequenz, insbesondere im Bereich der Hochfrequenz (RF), hat ein großes Anwendungspotential.

(3) Reduzieren Sie für das zweidimensionale Material Graphen selbst die Schaltungsgröße und die integrierte Schaltung. Die Herstellung von Graphen-CVD kann auf jedes Substrat übertragen werden, ist vorteilhaft für die Herstellung von Graphen und anderen Materialheteroübergängen, die Untersuchung neuer physikalischer Phänomene und neuer elektronischer Geräte.

Graphen ist besser als das von Kohlenstoffnanoröhren, erzeugt bei der Herstellung von Kohlenstoffnanoröhren das Metall- und Halbleitermaterialgemisch aus Kohlenstoffnanoröhren, macht komplexe Schaltkreise, Kohlenstoffnanoröhren müssen sorgfältig gescreent und positioniert werden, hat keine sehr gute Methode entwickelt, Dies ist für Graphen viel einfacher. Diese einzigartige Leistung macht Graphen als alternatives Material in vielen neuen Bereichen eingesetzt.

Hohe Elektronen / Loch-Beweglichkeit und Symmetrie der Bandstruktur ermöglichen, dass das Graphen sehr gut zur Herstellung von Hochfrequenztransistoren geeignet ist, obwohl die Leitfähigkeit von Graphen bewundernswert ist, aber es fehlt die Energielücke, nämlich Graphen ohne das verbotene Band "im" elektronischen Zustand kann " t Energiebereich, da die Schaltvorrichtungen ihre Anwendungen einschränken und der Graphen-Nanogürtel (GNR) die Energielücke von Graphen öffnen kann, hat die Klasse der Halbleiter-GNR große Aufmerksamkeit auf sich gezogen und das Interesse der Wissenschaftler an der Entwicklung des Ganzen geweckt Graphenschaltung.

Die AndreGeim-Gruppe berichtete, dass die Universität Manchester, abgesehen davon, dass sie außerhalb des tatsächlichen Betriebs von Graphen-Transistoren ein 10-nm-Niveau entwickelt hatte und die neuesten Forschungsergebnisse noch nicht bekannt gegeben hat, die Breite eines molekularen kleineren Graphen-Transistors entwickelt hat, der Graphen-Transistor ist es tatsächlich bestehend aus einem einzelnen Atomtransistor.

Im Jahr 2008 stellte das Watson-Forschungszentrum von IBM weltweit die ersten rauscharmen Graphen-Transistoren her. Normales Nano-Gerät mit abnehmender Größe, das so genannte 1 / f-Rauschen, wird immer offensichtlicher, verschlechtert das SNR des Geräts, dieses Phänomen ist die Regel von "hogg (Hooge 'sLaw)". Graphen und Kohlenstoffnanoröhren

Röhren- und Silikonmaterial können das Phänomen hervorrufen. Daher wird die Reduzierung des 1 / f-Rauschens zu einem der Hauptprobleme bei der Realisierung von Nanometerelementen. IBM durch Überlappung von 2 Graphenschichten hat den Transistor erfolgreich getestet. Weil 2 eine starke Elektronik erzeugt Kombination zwischen Graphenschichten, die das 1 / f-Rauschen steuern. Mings - YuLin der Ergebnisse beweisen, dass 2 Graphenschichten voraussichtlich auf verschiedene Felder aufgebracht werden.

Im Mai 2008 hat das Georgia Institute of Technology mit dem Lincoln-Labor am Massachusetts Institute of Technology auf einem einzigen Chip zusammengearbeitet, um Hunderte von Graphen-Transistor-Arrays zu erzeugen.

Silizium-Mikrocomputer-Prozessoren bei Raumtemperatur können nur eine bestimmte Anzahl von Operationen pro Sekunde ausführen, aber Elektronen durch das Graphen fast keinen Widerstand, die erzeugte Wärme ist auch sehr gering. Darüber hinaus ist Graphen an sich ein guter Wärmeleiter, kann schnell senden Aufgrund der hervorragenden Leistung der Graphenelektronik arbeiten sie viel schneller.

Graphen-Geräte, die aus der Laufgeschwindigkeit des Computers bestehen, können Terahertz erreichen, nämlich das 1000-fache von 1 x 106 KHz. Wenn wir uns weiterentwickeln können, ist ihre Bedeutung offensichtlich.

Neben dem Computer, um schneller zu laufen, kann auch für Graphen-Geräte verwendet werden Hochgeschwindigkeits-Arbeitskommunikationstechnologie und Bildgebungstechnologie. Betroffene Experten denken, Graphen kann zuerst auf das Hochfrequenzfeld angewendet werden, wie THZ-Wellen-Bildgebung, einer der Zwecke wird verwendet, um die versteckte Waffe zu entdecken. Geschwindigkeit ist nicht der einzige Vorteil von Graphen, Silizium kann nicht in kleine Stücke von weniger als 10 nm unterteilt werden, da es sonst seine elektronischen Eigenschaften verliert. Im Vergleich zu Silizium ist Graphen in kleine Filme von 1 nm unterteilt Die grundlegenden physikalischen Eigenschaften ändern sich nicht, aber die elektronischen Eigenschaften spielen wahrscheinlich eine Rolle.

Fazit: Der Siliziumkampf bleibt abzuwarten

1) Die Entwicklung von elektronischem Siliziummaterial ist nahe an der Spitze, Kohlenstoffnanoröhren und Graphen haben eine geringere Größe als Siliziumvorrichtungen und bessere elektrische Eigenschaften, werden wahrscheinlich in Zukunft Siliziummaterialien ersetzen.

2) Kohlenstoffnanoröhren haben ausgezeichnete Eigenschaften und stellen fest, dass je früher die Verfahren zu ihrer Herstellung und Herstellung tiefer gehen und einige Erfolge erzielt werden, genug, um zu beweisen, dass Kohlenstoffnanoröhren die praktischen Bedingungen von mikroelektronischen Bauelementen geschaffen haben, aber es gibt einige Probleme bei der traditionellen Die Methode zur Herstellung von Bauteilen und die Trennung verschiedener Kohlenstoffnanoröhren ist eine der größten Herausforderungen. Die Erforschung der integrierten Schaltung von Kohlenstoffnanoröhren dauert noch einige Zeit.

3) Graphen- und Kohlenstoffnanoröhren als hervorragende Eigenschaften, und Bauvorrichtungen mussten keinen komplexen Trennungsprozess durchlaufen, der praktisch stärker war als Kohlenstoffnanoröhren, die ebenfalls gewisse Durchbrüche bei der Herstellung erzielt haben, aber es wurde spät festgestellt, dass es bei nanoelektronischen Vorrichtungen noch zu bleiben gilt In Zukunft könnten sie zusammen das dominierende Material der integrierten Schaltung bilden.

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