グラフェン、グラフェン、カーボンナノメートルのどれを置き換えることができますか？

誰もが知っているように、世界のIC産業は、シリコンのルートに沿ってムーアの法則の「輝き」の下にありますが、CMOS技術の主流の開発がナノメートル技術ノードの後に10になると、その後の開発はますます物理法則と製造コストの制限により、ムーアの法則は終わりに直面する可能性があります。

1月20日、トップの科学雑誌Natureは、カーボンナノチューブエレクトロニクスの分野における世界クラスのブレークスルーの張氏チームの副所長である北京大学教授Pengの実践槍および物理エレクトロニクス研究所を発表しました。初めての高性能カーボンナノチューブトランジスタ、および同じサイズのシリコンCMOS電界効果トランジスタを超える性能を証明し、トランジスタの性能を理論に押し上げます。

シリコン後継用のグラフェンVSカーボンナノチューブ？

1月20日、トップの科学雑誌Natureは、カーボンナノチューブエレクトロニクスの分野における世界クラスのブレークスルーの張氏チームの副所長である北京大学教授ペンの実践槍および物理エレクトロニクス研究所を発表しました。初めての高性能カーボンナノチューブトランジスタ、および同じサイズのシリコンCMOS電界効果トランジスタを超える性能を証明し、トランジスタの性能を理論に押し上げます。

2月27日、CCTVニュースチャンネルは、番組で言及されている特別番組「グラフェンの魔法」を放送し、次世代チップの主成分としてグラフェンがシリコンに取って代わることが期待されています。グラフェンを使用して新世代のデバイスを製造、チップ製造の実装コーナーを追い抜くことが期待され、国際的な先進レベルに到達しました。

誰もが知っているように、世界のIC産業は、シリコンのルートに沿ってムーアの法則の「輝き」の下にありますが、CMOS技術の主流の開発がナノメートル技術ノードの後に10になると、その後の開発はますます物理法則と製造コストの制限により、ムーアの法則は終わりに直面する可能性があります。20年以上にわたって、科学界と業界は、シリコンCMOS技術に取って代わると予想されるトランジスタの原理である、あらゆる種類の新材料と新技術を模索してきました。 、しかしこれまでのところ、10 nmの新しいデバイスを実現できる組織はなく、真のシリコンCMOSデバイス以上で最高のパフォーマンスを発揮できる新しいデバイスはありません。

シリコンを超えた炭素？

2005年には、2020年頃に初めて明示的に国際半導体技術ルートマップ（ITRS）委員会がその性能限界を達成します。集積回路技術の研究がますます緊急になっているムーア時代、多くの人々はマイクロエレクトロニクスを考えています業界は、7つのナノテクノロジーノードに移行した後、トランジスタ伝導チャネルとしてシリコンを使用し続けることを諦めなければならない可能性があります。数少ない代替材料の1つでは、カーボンナノ材料がシリコン材料に取って代わる可能性が最も高いと認識されています。

炭素ベースの電子機器に焦点を当てた半導体業界に特に推奨される、すべての可能なシリコンCMOS代替技術の調査に取り組んでいる2008年のITRSの新しい研究資料と新しい研究装置は、次世代電子技術の次の5〜10年のビジネス価値として登場しました。米国の国立ナノテクノロジープログラムに加えて、10年以上にわたって国立科学財団委員会（NSF）は、カーボンナノ材料と関連デバイスが重要なサポートを提供し続け、2008年に「ムーアの法則以上の科学と工学」を開始しましたカーボンエレクトロニクス研究を含むプロジェクトが最優先事項として挙げられています。カーボンベースのエレクトロニクス研究投資の増加に続いて、全国ナノプログラムは2010年に開始され、「2020年のナノスケールエレクトロニクス」は3つの最も有名な計画の1つに設定されています（米国に加えて、欧州連合および他の政府も添付しますカーボンナノ材料および関連するエレクトロニクスの研究開発アプリケーション、レイアウト、および情報技術のコア領域の圧倒的な高さを引き続き把握することは非常に重要です。

カーボンナノチューブ材料は、シリコンに取って代わる可能性が最も高いのは、カーボンナノチューブとグラフェンの2つです。グラフェンがノーベル賞を受賞する前は、カーボンナノチューブは、シリコン半導体材料に取って代わる可能性が最も高いと長い間考えられてきました。世界的に見てグラフェンはカーボンナノチューブの代わりにあるようですが、グラフェンとカーボンナノチューブは誰が一番高いのでしょうか？

カーボンナノチューブの利点と集積回路の研究開発の開発の現状

1991年、日本のNECマリは、高分解能透過型電子顕微鏡検査のグラファイト機器アークの球状炭素分子の透明な男性が、炭素分子で構成される管状の同軸ナノチューブを誤って発見したと言います。これは現在、カーボンナノチューブCNT、バッキーチューブとしても知られています。 。

カーボンナノチューブ材料は優れた電気的特性を持っています.n型およびp型キャリア（電子および正孔）の移動度の室温でのカーボンナノチューブは対称であり、従来の半導体材料をはるかに超えて、すべて上に10000 cm2 /（V？S）に達することができますわずか1〜3 nmのカーボンナノチューブの直径に加えて、開いたり閉じたりする可能性が高く、グリッド電圧は非常に効果的です。

シリコンと比較したカーボンナノチューブの利点：

1）キャリア輸送は一次元であるため、キャリア散乱位相空間が減少し、弾道輸送の可能性が広がります。したがって、低消費電力です。

2）すべての炭素原子の化学結合が結合しているため、シリコン懸濁液の表面に存在するものと同様のものを排除するための化学的不動態化プロセスの必要がありません。これは、カーボンナノチューブ電子が持っていないことを意味しますシリカ絶縁を使用するには、高誘電率と結晶絶縁体を直接使用できます。

3）強力な共有結合構造により、カーボンナノチューブは機械的安定性と熱安定性が高く、抵抗性が高く、最大10 a / cmの電流密度に耐えることができます。

4）これらは重要な寸法です。つまり、直径は従来の製造プロセスではなく、化学反応によって制御されます。

5）原則として、アクティブコンポーネント（トランジスタ）と相互接続リンクラインの両方は、カーボンナノチューブの半導体と金属の属性によってそれぞれ可能です。

シリコン後継用のグラフェンVSカーボンナノチューブ？

スタンフォード大学の研究チームは、（a）世界初のカーボンナノチューブコンピューターの（b）に示すようにカーボンナノチューブアレイを準備する、（c）電子顕微鏡画像を走査するユニットの主な機能に示すように使用しました。

カーボンナノチューブ半導体デバイスの研究の進歩：

シリコン後継用のグラフェンVSカーボンナノチューブ？

近年、カーボンベースのエレクトロニクス研究のカーボンナノチューブをベースに、基礎研究から実用化へと急速に発展してきました。材料自体の優れた特性と政策・財政支援の世界のおかげで、研究開発要員デバイス物理学では、カーボンナノチューブのデバイス調製、統合方法などがかなりの成果を上げており、他のナノ材料の高さには到達していません。

研究によると、従来のシリコンベースのカーボンベースの電子デバイスと比較して、速度と消費電力の利点は5〜10倍であり、半導体技術の5 nmノードで達成でき、2020年以降の半導体チップ開発の新たな需要に対応できます。 。開発者は、さまざまな機能を備えた基本的な論理ユニットを実装しています。原則として、これらの論理ユニットは、カーボンベースの集積回路の高度な複雑さで準備されたものを使用できます。

スタンフォード大学の研究者が2013年に発行したネイチャー誌は、コンピューターのプロトタイプから作られた178個のカーボンナノチューブトランジスタを採用しています。MITの技術レビューによると、米国は2014年に、2020年にカーボンナノチューブを使用する前に、その5倍の速さで使用すると発表しました。既存のチップ半導体チップ。関連メディアの結果で発表されたIBMは、パフォーマンスとエネルギー消費の点でカーボンナノチューブに基づく半導体チップが従来のシリコンチップよりも大幅に改善されたことを示しています：7nmから5nmノードまでのシリコン半導体技術対応するチップ性能は約20％向上し、カーボンベースの半導体技術の7ナノテクノロジーノードは、シリコンベースの7 nmの性能よりも300％高く、15世代のシリコンベースの技術の向上です。これらの開発により、半導体業界は時代の幕開け、カーボンベースのエレクトロニクスは性能を向上させ続けることが期待されています2050年までムーアの法則のce。

ただし、カーボンナノチューブには限界があり、人工カーボンナノチューブは金属と半導体の特性の組み合わせです。カーボンナノチューブの電気的特性のみがトランジスタを持っているため、カーボンナノチューブのこれら2つの特性は、ロープまたはビームに相互に「接着」し、カーボンナノチューブを利用します。カーボンナノチューブを製造するための既存の調製方法は、すべての種類のキラルの混合物であり、異なるパイプ直径、キラリティーおよびパイプ直径が異なり、導電率の質的に異なる直接の結果として、カーボンナノチューブを作る、多くの困難があります。最も実用的なアプリケーション。

カーボンナノチューブに関する現在のIBMの研究の方向性は混合調製法であり、槍を実践し、張ペングループUSESはドープされていない調製であるというインタビューでのペンリアンスピア教授、これは世界初の、10年の研究後の彼らのチーム、ドープされていない調製方法を開発し、10トップゲートCMOSナノカーボンナノチューブフェットで開発しました。p型およびn型デバイスは、現在の最高の動作電圧よりも低い動作電圧（0.4 V）で動作し、高い動作電圧（ 0.7 V）シリコンCMOSトランジスタ。現在、プロセスの限界サイズを克服し、5 nmのゲート長のカーボンナノチューブトランジスタの開発に成功しました。その性能は限界に近く、量子力学理論の原理によって決定されます。

グラフェンFETの状況と進捗状況

グラフェンは、バンドギャップ特性がゼロであるため、グラフェンの平均自由経路とコヒーレンス長の室温でのキャリアもミクロンレベルで使用できるため、炭素材料の2次元構造です。優れた導電性材料。グラフェン電界効果デバイスは、バンドギャップをどのように増加させるかという最も重要な課題の1つであり、その移動度を低下させないことは非常に高いです。

従来のシリコン半導体トランジスタと比較したグラフェントランジスタには、次の特徴があります。

（1）電界の制御下で、電子と正孔の間の連続的な変化に対するグラフェンのキャリアのタイプ、双極電気伝導率。したがって、GFETは従来の半導体トランジスタのように効果的に閉じられず、町の論理には適していませんしかし、いくつかの新しい種類の構造は、デバイスの高いスイッチング電流に関連するグラファイトに基づいている可能性があります。

（2）グラフェンのキャリア移動度は非常に高いが、高周波の分野、特に無線周波数（RF）の分野では、電界制御によるWも応用の大きな可能性を秘めている。

（3）二次元材料グラフェン自体については、回路サイズと集積回路を縮小します。グラフェンCVDの準備は、任意の基板に転送でき、グラフェンや他の材料のヘテロ接合の準備に有利であり、新しい物理現象と新しい電子を研究しますデバイス。

グラフェンはカーボンナノチューブよりも優れており、カーボンナノチューブの製造プロセスでは、カーボンナノチューブの金属と半導体材料の混合物を生成し、複雑な回路を作成します。カーボンナノチューブは慎重にスクリーニングおよび配置する必要があり、非常に優れた方法を開発していません。これはグラフェンにとってはるかに簡単です。この独自の性能により、代替材料としてのグラフェンは多くの新しい分野に適用されています。

高い電子/正孔移動度とバンド構造の対称性により、グラフェンは高周波トランジスタの製造に非常に適していますが、グラフェンの導電性は優れていますが、エネルギーギャップがありません。つまり、「電子状態」にある禁止バンドのないグラフェンです。エネルギー範囲は、スイッチデバイスがその用途を制限し、グラフェンナノベルト（GNR）がグラフェンのエネルギーギャップを開くことができるため、その結果、半導体GNRのクラスが大きな注目を集め、科学者に全体の開発への幅広い関心を呼び起こします。グラフェン回路。

AndreGeimグループは、マンチェスター大学がグラフェントランジスタの実際の動作外で10 nmレベルを開発し、最新の研究結果をまだ発表していないことに加えて、分子の小さいグラフェントランジスタの幅を開発したと報告しました。グラフェントランジスタは実際には単原子トランジスタで構成されています。

2008年、IBMのワトソン研究センターは世界で最初に低ノイズグラフェントランジスタを製造しました.1 / fノイズと呼ばれるサイズの減少を伴う通常のナノデバイスはますます明白になり、デバイスのSNRを悪化させます、この現象がルールです「hogg（Hooge'sLaw）」のグラフェンとカーボンナノチューブ

チューブとシリコン材料が現象を引き起こす可能性があるため、1 / fノイズをどのように低減するかがナノメートル要素を実現するための重要な問題の1つになります.IBMは2層のグラフェンを重ね合わせることでトランジスタの試作に成功しました.2は強力な電子機器を生成するため1 / fノイズを制御するグラフェンの層間の組み合わせIBMのMing-YuLinの調査結果は、2層のグラフェンがさまざまな分野に適用されることが期待されることを証明しています。

2008年5月、ジョージア工科大学とマサチューセッツ工科大学のリンカーン研究所が1つのチップで協力して、数百のグラフェントランジスタアレイを生成しました。

室温のシリコンマイクロコンピュータプロセッサは、1秒間に特定の回数の操作しか実行できませんが、グラフェンを通過する電子はほとんど抵抗がなく、発生する熱も非常に少なくなります。さらに、グラフェンはそれ自体が優れた熱伝導体であり、すばやく送信できます。グラフェンエレクトロニクスによって作られた優れた性能により、はるかに高速に動作します。

コンピュータの実行速度で作られたグラフェンデバイスは、テラヘルツ、つまり1 x 106 KHZ 1000倍に達する可能性があります。さらに開発できれば、その重要性は自明です。

より高速に動作するコンピュータに加えて、高速作業通信技術とイメージング技術を必要とするグラフェンデバイスにも使用できます。懸念される専門家は、グラフェンは最初にTHZ波イメージングなどの高周波分野に適用される可能性があります。隠された武器を検出するために使用されます。速度だけがグラフェンの利点ではありません。シリコンは10nm未満の小片に分割できません。そうしないと、電子特性が失われます。シリコンと比較して、グラフェンは1nmの小フィルムに分割されます。基本的な物理的特性は変化しませんが、その電子的特性は機能する可能性があります。

結論：シリコンの闘争はまだ見られない

1）シリコン電子材料の開発は最上位に近く、カーボンナノチューブとグラフェンはシリコンデバイスよりもサイズが小さく、より優れた電気的特性を備えており、将来的にシリコン材料に取って代わる可能性があります。

2）カーボンナノチューブは優れた特性を持ち、以前はその製造方法と構築方法がより深く、いくつかの成果を上げており、カーボンナノチューブがマイクロエレクトロニクスデバイスの実際の条件を構築したことを証明するのに十分であることがわかりましたが、従来にはいくつかの問題がありますコンポーネントを構築する方法、および異なるカーボンナノチューブの分離は、最大の課題の1つであり、カーボンナノチューブ集積回路はまだ調査するのに時間が必要です。

3）優れた特性としてのグラフェンとカーボンナノチューブ、およびビルドデバイスは複雑な分離プロセスを経る必要がなく、カーボンナノチューブも準備において一定のブレークスルーを達成したよりも実用的で強力ですが、ナノ電子デバイスで最近発見されたのは将来的には、それらが一緒になって集積回路の主要な材料を構成するようになる可能性があります。

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