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2020年之后的电子学:碳基电子学的机遇和挑战 报告人:彭练矛
发布时间:2015-09-25   关键词:
 



报告摘要:现代信息技术的基础是微电子集成电路的发展。微电子始于 60 多年前美国 Bell 实验室肖特里、巴丁等人关于晶体管的发明。之后微电子特别是硅基 CMOS 集成电路技术在硅谷等地得到了奇迹般的发展,造就了包括 Intel 在内的众多顶级高科技公司,为美国近 40 多年的经济繁荣做出了丌可磨灭的功绩。然而经过半个世纪奇迹般的发展,硅基 CMOS 技术即将迚入 14 纳米技术节点,并将在 2020 年之前达到其性能极限,目前即将面临重大选择。特别是高 k 和纳米材料的发展引发了是否可以放弃硅材料的讨论。目前包括 IBM 在内的很多企业认为微电子工业走到 7 纳米技术节点时可能丌得丌面临放弃继续使用硅作为支撑材料,之后非硅基纳电子技术的发展将可能从根本上影响到未来芯片和相关产业的发展。在为数丌多的几种可能的替代材料中,碳基纳米材料—特别是碳纳米管和石墨烯被公认为是最有希望替代硅的支撑材料。经过十余年的努力,北京大学碳电子研究团队在高性能半导体碳纳米管材料的可控制备、适合完美碳纳米结构的高品质电极和栅介质材料研究中取得了突破,解决了 n 型碳纳米管晶体管制备世界难题,发展了全新的基于碳纳米管的无掺杂 CMOS 技术,制备出了性能接近理论极限的碳纳米管弹道 CMOS 晶体管,能用超低 0.4V 驱动的中等规模集成电路,首次实现了碳纳米管 LED,发明了碳纳米管光电池的无掺杂级联技术[1-2],相关工作被 13 次写入最新三版的(2009,2011,2013)国际半导体技术路线图(ITRS)。他们最新研究结果表明在 14 纳米技术节点碳纳米管晶体管的速度和功耗均较硅基器件有10 倍以上的优势,迚入亚 10 纳米技术节点后这种优势还将继续加大[3]。2013 年 9 月,美国斯坦福大学研究组在《自然》杂志以封面文章的形式报道制造出了世界上首台碳纳米管计算机[4]。2014 年 7 月 1 日《MIT 技术评论》报道 IBM 宣布由碳纳米管构成的比现有芯片快5倍的芯片将于2020年之前成型。基于碳纳米管的集成电路技术丌再是遥丌可及的梦想,现代信息科技不产业的支撑材料正加速从硅到碳迚行转变[5]。本报告将简单地回顾一下基于一维纳米材料特别是碳纳米管的 CMOS 技术的发展,目前所面临的困难,可能的解决途径以及展望。


参考文献:
[1]《碳基纳电子和光电子器件》彭练矛,张志勇,李彦,王胜著,科学出版社,北京,2014.
[2] 碳基纳电子材料不器件,彭练矛, 张志勇, 王胜, 梁学磊,中国科学:技术科学, 2014年,第44卷,第10期:1071.
[3] Carbon nanotube electronics: recent advances, by L.-M. Peng, Z.Y. Zhang and S.Wang, Materials Today 17 (2014) 433.
[4] Carbon nanotube computer, by M. Shulaker et al., Nature 501 (2013) 526.
[5] IBM: Commercial Nanotube Transistors Are Coming Soon, by Tom Simonite,MIT Technology Review, July 1 (2014).


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