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6165金沙总站CNT晶体管迎来加速期 碳纳米管计算机初见端倪

发布时间:2020-04-30 02:06编辑:包装材料浏览(137)

    印刷电子多要对有机半导体或无机半导体上采用涂布工艺,但其动作性能和耐久性大多不如原有技术。最近有可能颠覆这种看法的,是正在开发的数GHz以上高速驱动的晶体管实现技术。而且大多与喷墨技术有关。墨粉为采用了有机半导体、碳纳米管(CNT)和石墨烯等的物质。 除晶体管外,在存储器、压电元件以及透明导电薄膜等领域,也可得到不逊于采用原技术开发的元件的特性。 有机半导体在微细化和结晶性方面寻找出路 决定晶体管等电路元件工作速度的因素大致有两个。即晶体管采用的半导体的载流子迁移率和栅极长度等尺寸。即使载流子迁移率较低,如果栅极长度变短,则该晶体管的截止频率也会升高(注4)。 注4)晶体管的截止频率一般与载流子迁移率的值成正比,与栅极长度的平方成反比。 电子元器件的驱动频率不仅为载流子迁移率,还为晶体管栅极长度所左右。因此,即使是载流子迁移率不如CNT和石墨烯的有机半导体,随着喷墨技术的进步也有望开发出具备高驱动频率的元件。 有机半导体载流子迁移率的优异数据(Champion Data)本身最近数年没有太大变化。仍是并五苯等普通材料为1cm2/Vs以下,稍微特殊一些的材料也只有30~40cm2/Vs。而涂布技术有了大幅发展。成膜均匀性、品质偏差以及结晶性得到改善,平均载流子迁移率有了大幅提高。有机半导体以前最多用于电子纸的TFT,但最近还用在了电子纸的驱动电路上。 以喷墨将布线宽度缩小至1m 涂布技术得到提高的理由主要有两个。一是,以喷墨制作微细形状的技术提高了。另一个是,涂布后成膜的均匀性和结晶性提高了。 微细化技术方面,用于液晶面板等的工业用喷墨装置一般喷射数十pL的液滴,而最近缩小到了1pL。并且,产业技术综合研究所开发的Super Ink Jet(SIJ)技术将液滴缩小到了1pL的1/1000、即1fL。此时,以直接绘图实现的布线宽度就能缩小到1m左右。 喷墨(IJ)技术的开发在迅速发展。通常为数十pL的工业用喷墨装置也可实现1pL的液滴(a)。最尖端装置可将液滴缩小至其1/1000的1fL(b)。采用该装置,可形成线宽为1m的布线及立体布线。 将液滴缩小到1fL,超越以往喷墨技术常识之点也将增加。如可以形成立体布线。这是因为,液滴能在极短的时间内干燥。从喷头射出液滴后,在到达基板前就已经开始干燥,到达基板后立即完全干燥。利用这种性质在同一位置反复喷射液滴,布线会像钟乳洞的石笋那样生长形成立体布线。能直接形成以往在硅晶圆上开孔制作的纵式贯通电极(TSV)(产业技术综合研究所柔性电子研究中心功能发现工艺组组长村田和广)。 改善咖啡渍 成膜均匀性和结晶性最近约1年有了大幅进展。通过应用了很久以前就广为人知的贫溶剂添加法*的Double Short InkJet方法,大幅改善了咖啡渍问题*,还提高了半导体的单晶性(产业技术综合研究所柔性电子研究中心副主任长谷川达生)。 *贫溶剂添加法=在溶解了某种溶质的溶剂中,通过添加使该溶质难以溶解的溶剂,促使溶质析出的方法。 *咖啡渍问题(coffee stain effect)=指溶质溶解或者使分散的溶剂液滴干燥时,溶质浓度高的部分形成环状的课题。也称为咖啡圈。采用喷墨技术的涂布工艺无论是哪种墨水都会出现这个问题。 在喷墨技术中,咖啡渍问题成为一项重要课题(a)。产综研的长谷川达生的研发小组通过将喷墨液滴以半导体墨水和半导体材料难溶的结晶墨水的Double Short方式射出,解决了该问题(b)。 结果是,有机半导体的涂布工艺也有望实现与蒸镀法相同或者更高的特性,比如有望实现10cm2/Vs的载流子迁移率。设计自由度也能提高(长谷川)。 今后的课题,是以n型半导体实现高载流子迁移率的材料开发及微细化技术开发。比如,还将在半导体上采用此前主要用于形成布线的SIJ等。 以CNT膜使载流子迁移率达到1000cm2/Vs 如果载流子迁移率为数十cm2/Vs就行,那么除了有机半导体外,IGZO*等氧化物半导体也可用于印刷技术。但以印刷电子不容易使载流子迁移率超过100cm2/Vs。目前有望克服该障碍的,是采用CNT和石墨烯等碳材料的晶体管。 *IGZO=由铟、镓、锌构成的氧化物半导体。 CNT晶体管的制作方法大致可分为两种。涂布法可以解决CNT的一大课题易于将金属型和半导体型分离,但目前载流子迁移率较低。而干式转印法虽然容易获得高载流子迁移率,但无法去除金属型,因而微细化受限。 例如采用CNT的晶体管的载流子迁移率,有的超过了1000cm2/Vs。这是由名古屋大学副教授大野雄高的研发小组开发的,该结果已在2012年3月的第59届应用物理学相关联合演讲会上发布。但使用的不是涂布工艺,而是用气相生长法生长出CNT后将其均匀集中在滤膜上,并转印到基板上的干式转印法。由于超声波等破坏不了CNT,而且也不含杂质,因此实现了高载流子迁移率(大野)。 但该方法存在难以微细化的课题。原因是,目前如果不将CNT分散到溶液中,就无法分离半导体型CNT和金属型CNT。在混有金属型CNT的状态下,如果栅极长度缩短到一定程度上,半导体短路的概率就会上升。 潜力较高的是涂布工艺 另一方面,利用技术研究联盟单层CNT融合新材料研究开发机构(TASC)*推进的全印刷技术制作的CNT晶体管,据称通过去除金属型CNT可获得纯度为95~99%的半导体型CNT。但由于溶液中混有表面活性剂等杂质,因此目前的载流子迁移率尚只有3.6cm2/Vs。但随着杂质去除技术的不断进步,今后有望迅速接近用干式转印法获得的载流子迁移率。 *技术研究联盟单层CNT融合新材料研究开发机构(Technology Research Association for Single Wall Carbon Nanotubes:TASC)=NEC与产业技术综合研究所从2009年起共同扩大单层CNT的研究,并于2010年5月成立了技术研究联盟。除了NEC和产业技术综合研究所之外,加盟企业还有KANEKA、大日本印刷、东丽及日本瑞翁(Zeon)等。该联盟不但研究单层CNT作为功能性材料和构造材料的可能性,还研究石墨烯等。 涂布工艺还具有微细化无极限的优势。TASC组长兼主任研究员二瓶史行认为,如果能用涂布工艺把载流子迁移率提高至1000cm2/Vs,那么CNT晶体管将凌驾于低温多晶硅TFT等之上,届时电子世界将发生巨大的变化。

    使用单层碳纳米管作为半导体材料的CNT晶体管终于迎来了开发加速的时期,并出现了在芯片上集成CNT晶体管,将其作为初级计算机试制系统的尝试。

    美国斯坦福大学电子工程学、计算机科学副教授萨巴辛米特拉的研究室制作出了集成178个CNT晶体管的CNT微处理器。经确认,该处理器通过外接存储器,能够作为可编程的计算机运行。

    这台CNT计算机沿袭现在的冯诺伊曼计算机的基本构成。工作频率为1kHz,等同于1950年代初期使用晶体管的初级计算机。

    原因是工作频率低、运行验证使用的电极大等,并非CNT晶体管本身的限制。

    执行AND和XOR的运算电路使用20个CNT晶体管,暂时保存数据的D闩锁电路使用9个CNT晶体管。运算内容可编程,而且可以执行英国Imagination Technologies的MIPS架构指令集中的20个基本指令。除此之外,还可以运行能够执行多任务的自主简易OS。

    20个指令分别是:AND、ANDI、BGEZ、BLEZ、BLTZ、BNE、J、LB、NOOP、OR、ORI、SB、SLL、SLLV、SRA、SRL、SRLV、SUBU、XOR、XORI。

    比肩1950年代的计算机

    图1:178个CNT晶体管构成CNT微处理器

    斯坦福大学的CNT微处理器的SEM照片。由178个CNT晶体管构成,尺寸约为7mm0.8mm。算术运算使用20个CNT晶体管。

    使用大电流破坏金属型CNT

    6165金沙总站,这种计算机的CNT晶体管使用指向统一的CNT作为通道层。CNT首先在水晶基板上生长,然后再使用热剥离胶带,转印至Si/SiO2基板。在CNT中,半导体型的比例占到99.99%以上。

    图2:IC成形后利用大电流破坏金属型CNT

    CNT晶体管的构成与制造工艺。在晶圆水平利用大电流破坏金属型CNT,使半导体型CNT的纯度提高到99.99%以上。

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