集成電路未來(lái)的新方向？碳基晶體管

2020-09-29 10:40:48　來(lái)源: 　訪問(wèn)：4459 次

基于碳而不是硅的晶體管可以給計(jì)算機(jī)帶來(lái)更快的速度，并大幅降低功耗（想想一部手機(jī)可以保持?jǐn)?shù)月的電量），但是從目前看來(lái)，構(gòu)建有效的碳基電路所需的工具集仍然不完整。

加州大學(xué)伯克利分校的化學(xué)家和物理學(xué)家團(tuán)隊(duì)終于在工具箱中創(chuàng)建了最后一個(gè)工具，即完全由碳制成的金屬線，這為進(jìn)一步開(kāi)展研究以建立碳基晶體管奠定了基礎(chǔ)。加州大學(xué)伯克利分校化學(xué)教授Felix Fischer表示：“將這種技術(shù)整合在一起，是在碳纖維材料領(lǐng)域內(nèi)，停留在相同的材料中，”他指出，用相同的材料制造所有電路元件的能力可以制造出來(lái)，且更輕松?！斑@是在全碳基集成電路架構(gòu)的全局中缺少的關(guān)鍵事物之一。”Felix Fischer強(qiáng)調(diào) 金屬線（例如用于連接計(jì)算機(jī)芯片中晶體管的金屬通道）將電子從一個(gè)設(shè)備運(yùn)到另一個(gè)設(shè)備，并互連晶體管（計(jì)算機(jī)的構(gòu)建模塊）中的半導(dǎo)體元件。加州大學(xué)伯克利分校（UC Berkeley）小組已經(jīng)致力于如何用石墨烯納米帶（graphene nanoribbons）制造半導(dǎo)體和絕緣體，石墨烯納米帶是一維窄的，只有一個(gè)原子厚的石墨烯帶，這種結(jié)構(gòu)完全由碳原子組成，排列成相互連接的六角形，類似于雞肉線。新的碳基金屬也是石墨烯納米帶，但設(shè)計(jì)時(shí)要注意全碳晶體管中半導(dǎo)體納米帶之間的導(dǎo)電電子。Fischer的同事，加州大學(xué)伯克利分校的物理學(xué)教授Michael Crommie說(shuō)，金屬納米帶是通過(guò)將它們由較小的相同構(gòu)造塊組裝而成的，采用自下而上的方法。每個(gè)結(jié)構(gòu)單元均貢獻(xiàn)一個(gè)電子，該電子可沿納米帶自由流動(dòng)。盡管其他碳基材料（如擴(kuò)展的2D石墨烯和碳納米管片）可以是金屬的，但它們也存在問(wèn)題。例如，將2D石墨烯薄片重塑為納米級(jí)條，可自發(fā)地將其變成半導(dǎo)體，甚至絕緣體。碳納米管是極好的導(dǎo)體，不能以與納米帶相同的精度和可重復(fù)性大量制備。 Crommie說(shuō)：“納米帶使我們能夠使用自底向上的方法化學(xué)訪問(wèn)各種結(jié)構(gòu)，而納米管尚無(wú)法做到這一點(diǎn)?！?“這使我們能夠?qū)㈦娮踊究p合在一起，以創(chuàng)建金屬納米帶，而以前沒(méi)有做過(guò)。這是石墨烯納米帶技術(shù)領(lǐng)域的重大挑戰(zhàn)之一，也是我們對(duì)此感到如此興奮的原因?！?/span> 金屬石墨烯納米帶（具有寬的，部分填充的金屬電子帶特征）具有可與2D石墨烯本身相媲美的電導(dǎo)率。我們認(rèn)為金屬線確實(shí)是一項(xiàng)突破；Fischer補(bǔ)充道，這是我們首次有意用碳基材料有意制造一種超窄金屬導(dǎo)體——一種良好的本征導(dǎo)體。加州大學(xué)伯克利分校和勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Berkeley Lab）的Crommie，F(xiàn)ischer及其同事將在9月25日的《科學(xué)》雜志上發(fā)表他們的發(fā)現(xiàn) 。

調(diào)整拓?fù)?/span>

根據(jù)摩爾定律，基于硅的集成電路已經(jīng)為計(jì)算機(jī)賦能了數(shù)十年，其速度和性能都在不斷提高，但是它們已經(jīng)達(dá)到了速度極限——即它們可以在零和一之間切換的速度。降低功耗也變得越來(lái)越困難。計(jì)算機(jī)已經(jīng)消耗了世界能源生產(chǎn)的很大一部分。Fischer說(shuō)，碳基計(jì)算機(jī)的切換速度可能比硅計(jì)算機(jī)快許多倍，并且僅消耗很小一部分功率。石墨烯是純碳，是這些下一代碳基計(jì)算機(jī)的主要競(jìng)爭(zhēng)者。窄帶的石墨烯主要是半導(dǎo)體，然而，挑戰(zhàn)在于使它們同時(shí)充當(dāng)絕緣體和金屬（極端相反，分別完全不導(dǎo)電和完全導(dǎo)電）的絕緣體和金屬，以便完全由碳構(gòu)成晶體管和處理器。幾年前，F(xiàn)ischer和Crommmie與加州大學(xué)伯克利分校的物理學(xué)教授，理論材料科學(xué)家史蒂Steven Louie合作，發(fā)現(xiàn)了連接小長(zhǎng)度納米帶的新方法，從而可靠地創(chuàng)建了整個(gè)導(dǎo)電性能域。兩年前，該團(tuán)隊(duì)證明，通過(guò)正確連接納米帶的短段，可以將每個(gè)段中的電子排列成一個(gè)新的拓?fù)錉顟B(tài)（一種特殊的量子波函數(shù)），從而產(chǎn)生可調(diào)諧的半導(dǎo)體特性。在這項(xiàng)新工作中，他們使用類似的技術(shù)將納米帶的短段縫合在一起，以創(chuàng)建一條數(shù)十納米長(zhǎng)，僅幾納米寬的導(dǎo)電金屬線。納米帶是化學(xué)產(chǎn)生的，并使用掃描隧道顯微鏡在非常平坦的表面上成像。簡(jiǎn)單的加熱就可以使分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并以正確的方式結(jié)合在一起。菲舍爾將菊花鏈?zhǔn)椒e木的裝配與一組樂(lè)高玩具進(jìn)行了比較，但樂(lè)高玩具的設(shè)計(jì)適合原子級(jí)。 “它們都是經(jīng)過(guò)精確設(shè)計(jì)的，因此它們只能以一種方式裝配在一起。就像您拿著一袋樂(lè)高玩具，然后搖晃它，然后出來(lái)一輛完全組裝好的汽車，”他說(shuō)。“這就是用化學(xué)方法控制自組裝的魔力。” 組裝完成后，新的納米帶的電子狀態(tài)就是一種金屬，正如Louie預(yù)測(cè)的那樣，每個(gè)部分都貢獻(xiàn)一個(gè)導(dǎo)電電子。最終的突破可以歸因于納米帶結(jié)構(gòu)的微小變化。 “使用化學(xué)，我們產(chǎn)生了微小的變化，即每100個(gè)原子中只有一個(gè)化學(xué)鍵發(fā)生了變化，但是這將納米帶的金屬性提高了20倍，從實(shí)用的角度來(lái)看，這很重要，使它成為一種很好的金屬，”克羅米說(shuō)。兩位研究人員正在與加州大學(xué)伯克利分校的電氣工程師合作，將他們的半導(dǎo)體，絕緣和金屬石墨烯納米帶的工具箱組裝到工作的晶體管中。菲舍爾說(shuō)：“我相信這項(xiàng)技術(shù)將在未來(lái)改變我們構(gòu)建集成電路的方式”，“這應(yīng)該使我們比目前可以預(yù)期的最佳性能大幅度提高。我們現(xiàn)在有了一條以更低的功耗獲得更快的開(kāi)關(guān)速度的途徑。這就是未來(lái)推動(dòng)碳基電子半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展的原因。”

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