信息學(xué)院彭練矛-張志勇團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)世界上首個(gè)千兆赫茲碳納米管集成電路
集成電路芯片遵從摩爾定律,通過縮減晶體管尺寸,賡續(xù)提拔性能和集成度,成本得以降低;然而,進(jìn)一步發(fā)展卻受到來自物理極限、功耗和制造成本的限定,必要采用新興信息器件技術(shù)支持將來電子學(xué)的發(fā)展。碳納米管被認(rèn)為是構(gòu)建亞10nm晶體管的理想材料;理論和實(shí)驗(yàn)研究均注解相較硅基器件而言,其具有5~10倍的本征速度和功耗上風(fēng),性能接近由量子測不準(zhǔn)原理所決定的電子開關(guān)的極限,有望知足后摩爾時(shí)代集成電路的發(fā)展需求。但是,因?yàn)榧纳?yīng)較大,現(xiàn)實(shí)制備的碳管集成電路工作頻率較低(一樣平常在兆赫茲以下,1MHz=106Hz),比硅基互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)電路的工作頻率(千兆赫茲,即吉赫茲,1GHz=103MHz=109Hz)低幾個(gè)數(shù)量級(jí)。在國際商業(yè)機(jī)器公司(IBM)研究人員2017年8月發(fā)表的基于碳管陣列的環(huán)形振蕩器的研究工作中,振蕩頻率達(dá)282MHz,仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于預(yù)期。因此,大幅度提拔碳納米管集成電路的工作頻率成為發(fā)展碳納米管電子學(xué)的緊張?zhí)翎叀?/p>
北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院、納米器件物理與化學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室彭練矛教授-張志勇教授團(tuán)隊(duì)在碳納米管電子學(xué)領(lǐng)域潛心研究十幾年,發(fā)展了一整套碳管CMOS技術(shù),前期已實(shí)現(xiàn)亞10nm CMOS器件以及中等規(guī)模集成電路。日前,他們通過對碳管材料、器件結(jié)構(gòu)/工藝和電路版圖的優(yōu)化,活著界上首次實(shí)現(xiàn)工作在千兆赫茲頻率的碳管集成電路,有力推動(dòng)了碳納米管電子學(xué)的發(fā)展。
團(tuán)隊(duì)首先通過優(yōu)化碳管材料、器件結(jié)構(gòu)和工藝,提拔碳納米管晶體管的跨導(dǎo)和驅(qū)動(dòng)電流;對于柵長為120nm的晶體管,在0.8V的工作電壓下,其開態(tài)電流和跨導(dǎo)分別達(dá)到0.55mA/μ
北京大學(xué)函授報(bào)名、北京大學(xué)成人高考報(bào)名 |
《天然·電子學(xué)》官網(wǎng)截屏與文中描述的碳納米管環(huán)形振蕩電路:(a)五級(jí)環(huán)振電路掃描電鏡照片;(b)5.54 GHz的碳管環(huán)振電路;(c)環(huán)振頻率的統(tǒng)計(jì)直方圖;(d)與其他碳管材料、二維材料和硅基環(huán)振的單級(jí)門延時(shí)對比。
2017年12月11日,上述工作以題為《基于碳納米管薄膜的千兆赫茲集成電路》(Gigahertz integrated circuits based on carbon nanotube films)的論文在線發(fā)表于《天然·電子學(xué)》(Nature Electronics, DOI:10.1038/s41928-017-0003-y),即將正式刊載于該期刊的創(chuàng)刊號(hào),這也是北京大學(xué)在該期刊發(fā)表的首篇論文。信息學(xué)院2013級(jí)博士研究生仲東來為第一作者,張志勇教授和彭練矛教授為共同通信作者。這項(xiàng)研究工作不僅極大推進(jìn)了碳納米管集成電路的發(fā)展,更注解基于現(xiàn)有的碳管材料,通過簡單工藝已可能實(shí)現(xiàn)性能與商用單晶硅基CMOS性能相稱的集成電路;假如采用更為理想的材料(例如高密度碳管平行陣列)和更高級(jí)的加工工藝,則有望推動(dòng)碳納米管技術(shù)在速度和功耗等方面周全超過硅基CMOS技術(shù)。
該項(xiàng)研究得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家天然科學(xué)基金、北京市科技計(jì)劃和建設(shè)世界一流大學(xué)(學(xué)科)和特色發(fā)展指導(dǎo)專項(xiàng)的資助。
相干鏈接:
作為天然科研品牌下即將推出的新期刊,《天然·電子學(xué)》(Nature Electronics)面向?qū)W術(shù)界和工業(yè)界,旨在發(fā)表電子學(xué)領(lǐng)域所涵蓋的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究的最新原創(chuàng)性成果,側(cè)重報(bào)道新興技術(shù)的發(fā)展及其對社會(huì)變革的龐大影響。創(chuàng)刊號(hào)將于2018年1月出版發(fā)行。官網(wǎng):https://www.nature.com/natelectron/。
編輯:山石
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