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MIT开发出首个碳纳米管混合信号集成电路

2019-02-28

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图片来源:MIT/ IEEE

SHARC进击:麻省理工学院的自我修复模拟采用RRAM和CNFET技术,被用于在4位电容数模转换器中制造碳纳米管运算放大器。 

我们多年来所听说过的所有令人惊叹的碳纳米管逻辑电路都有一个“家丑不外扬”的秘密:有一些纳米管是金属的,而不是人们想要的半导体类型的。这一小部分坏管对于逻辑电路来说并不是什么大问题。它们增加了一些噪音,但并没有增加逻辑电路的数字特性处理不了的任何东西。问题一直是出在模拟电路这边。

对于模拟电路来说,这种游离的金属纳米管可能像蛇怪的毒液。在上周于旧金山举行的IEEE国际固态电路会议(IEEE International Solid-State Circuits Conference)上,Aya G. Amer向参会的工程师们解释说:“单个金属(碳纳米管)会导致一个简单放大器中的电路完全失效。”Amer和她在麻省理工学院Max Shulaker实验室的同事们找到了解决这个问题的方法,创造了第一个碳纳米管混合信号集成电路。

他们的解决方案依赖于碳纳米管场效应晶体管(CNTFET)和电阻式RAM存储器(RRAM)的3D集成。这种技术是Shulaker在斯坦福大学期间,协助 H.-S. Philip Wong 和 Subhasish Mitra开创的。(2016年7月,IEEE Spectrum上发表了他们三人合写的文章“Computing With Carbon Nanotubes”,文中描述了一条通往基于碳纳米管的计算机的发展之路。)

该工艺包括将碳纳米管沉积在已生产出的硅电路的一层上,处理这些碳纳米管以形成晶体管和它们的互连,然后在该堆叠顶部构建RRAM。这不是用硅电子层就能做到的,因为所涉及的工艺温度会破坏金属的互连。即使将预处理过的硅芯片堆叠也无法与之匹敌,因为这些芯片的垂直连接能力有限。斯坦福大学/麻省理工学院所发明的这一方法可以使垂直互连的密度提高数千倍,从而提高了层间带宽。

美国国防高级研究计划局(DARPA)对这项技术非常感兴趣,为此投入了6100万美元,让位于明尼苏达州布鲁明顿市的SkyWater technology Foundry公司去开发制造工艺。

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插图来源:MIT

麻省理工学院的SHARC方法从碳纳米管场效应晶体管开始。然后通过分解源电极来分离出单独的金属纳米管。在源电极顶部集成RRAM,会创建出一个电路,该电路使RRAM电阻只在金属纳米管所在的地方固定在高阻态。场效应晶体管现在只有半导体纳米管。

这一模拟工艺首先构建逻辑电路所需的相同类型的CNTFET。那基本上是埋在通道下方的一种金属栅极,通道由许多水平对齐的碳纳米管构成,这些碳纳米管在源极和漏极之间延伸。这些纳米管中至少有一个可能是金属的;诀窍是将其隔离,并将其从任何未来的电路中除去。为了做到这一点,Shulaker的团队将源电极分解为三部分。从统计学上看,其中只有一部分会与金属电极相连。

为了确定是哪个部分并将其从电路中移除,他们在每个漏极顶部集成了一个RRAM单元。RRAM以电阻的形式保存数据。电流向一个方向流动,电阻增加,向另一个方向流动则电阻减小。因此,他们在由RRAM和纳米管组成的电路上施加电压。对于具有半导体连接的那两个部分,这没有效果;晶体管的栅极没有通电,所以电流不能流动。但对于隐藏着金属纳米管的那个部分来说,情况就完全不同了。金属纳米管在晶体管上起短路的作用,电流通过它及其附着的RRAM电池流出。这导致RRAM单元的电阻跳跃到如此之高的值,以至于有效地切断了包含金属纳米管的路径。所以,当晶体管实际用于电路时,只有半导体通路起作用。

Amer和Shulaker将这一工艺称为“使用RRAM和CNFET的自我修复模拟”(SHARC); 晶体管自身的缺陷可以自行修复。该团队在模拟部分使用SHARC构建了两个混合信号电路,一个4位数模转换器和4位模数转换器。后者使用了306个CNFET,是迄今为止见诸报道的最大的CMOS碳纳米管电路。

Shulaker说,SHARC技术“与我们正在做的一系列事情能很好地结合在一起”,这些事情中包括SkyWater项目。“DARPA的计划是关于计算的,计算不仅仅是”数字逻辑。