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MIT開發出首個碳納米管混合信號集成電路

2019-02-28

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圖片來源:MIT/ IEEE

SHARC進擊:麻省理工學院的自我修復模擬采用RRAM和CNFET技術,被用于在4位電容數模轉換器中制造碳納米管運算放大器。 

我們多年來所聽說過的所有令人驚嘆的碳納米管邏輯電路都有一個“家丑不外揚”的秘密:有一些納米管是金屬的,而不是人們想要的半導體類型的。這一小部分壞管對于邏輯電路來說并不是什么大問題。它們增加了一些噪音,但并沒有增加邏輯電路的數字特性處理不了的任何東西。問題一直是出在模擬電路這邊。

對于模擬電路來說,這種游離的金屬納米管可能像蛇怪的毒液。在上周于舊金山舉行的IEEE國際固態電路會議(IEEE International Solid-State Circuits Conference)上,Aya G. Amer向參會的工程師們解釋說:“單個金屬(碳納米管)會導致一個簡單放大器中的電路完全失效。”Amer和她在麻省理工學院Max Shulaker實驗室的同事們找到了解決這個問題的方法,創造了第一個碳納米管混合信號集成電路。

他們的解決方案依賴于碳納米管場效應晶體管(CNTFET)和電阻式RAM存儲器(RRAM)的3D集成。這種技術是Shulaker在斯坦福大學期間,協助 H.-S. Philip Wong 和 Subhasish Mitra開創的。(2016年7月,IEEE Spectrum上發表了他們三人合寫的文章“Computing With Carbon Nanotubes”,文中描述了一條通往基于碳納米管的計算機的發展之路。)

該工藝包括將碳納米管沉積在已生產出的硅電路的一層上,處理這些碳納米管以形成晶體管和它們的互連,然后在該堆疊頂部構建RRAM。這不是用硅電子層就能做到的,因為所涉及的工藝溫度會破壞金屬的互連。即使將預處理過的硅芯片堆疊也無法與之匹敵,因為這些芯片的垂直連接能力有限。斯坦福大學/麻省理工學院所發明的這一方法可以使垂直互連的密度提高數千倍,從而提高了層間帶寬。

美國國防高級研究計劃局(DARPA)對這項技術非常感興趣,為此投入了6100萬美元,讓位于明尼蘇達州布魯明頓市的SkyWater technology Foundry公司去開發制造工藝。

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插圖來源:MIT

麻省理工學院的SHARC方法從碳納米管場效應晶體管開始。然后通過分解源電極來分離出單獨的金屬納米管。在源電極頂部集成RRAM,會創建出一個電路,該電路使RRAM電阻只在金屬納米管所在的地方固定在高阻態。場效應晶體管現在只有半導體納米管。

這一模擬工藝首先構建邏輯電路所需的相同類型的CNTFET。那基本上是埋在通道下方的一種金屬柵極,通道由許多水平對齊的碳納米管構成,這些碳納米管在源極和漏極之間延伸。這些納米管中至少有一個可能是金屬的;訣竅是將其隔離,并將其從任何未來的電路中除去。為了做到這一點,Shulaker的團隊將源電極分解為三部分。從統計學上看,其中只有一部分會與金屬電極相連。

為了確定是哪個部分并將其從電路中移除,他們在每個漏極頂部集成了一個RRAM單元。RRAM以電阻的形式保存數據。電流向一個方向流動,電阻增加,向另一個方向流動則電阻減小。因此,他們在由RRAM和納米管組成的電路上施加電壓。對于具有半導體連接的那兩個部分,這沒有效果;晶體管的柵極沒有通電,所以電流不能流動。但對于隱藏著金屬納米管的那個部分來說,情況就完全不同了。金屬納米管在晶體管上起短路的作用,電流通過它及其附著的RRAM電池流出。這導致RRAM單元的電阻跳躍到如此之高的值,以至于有效地切斷了包含金屬納米管的路徑。所以,當晶體管實際用于電路時,只有半導體通路起作用。

Amer和Shulaker將這一工藝稱為“使用RRAM和CNFET的自我修復模擬”(SHARC); 晶體管自身的缺陷可以自行修復。該團隊在模擬部分使用SHARC構建了兩個混合信號電路,一個4位數模轉換器和4位模數轉換器。后者使用了306個CNFET,是迄今為止見諸報道的最大的CMOS碳納米管電路。

Shulaker說,SHARC技術“與我們正在做的一系列事情能很好地結合在一起”,這些事情中包括SkyWater項目。“DARPA的計劃是關于計算的,計算不僅僅是”數字邏輯。


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