CNT晶體管設計新進展：碳納米管電路在芯片中占有一席之地

本周在舊金山舉行的國際電子器件會議上，來自學術界和工業(yè)界的研究團隊展示了有關高性能碳納米管晶體管 （CNT） 和電路的數據。雖然這些器件可能需要十年或更長時間才能集成到產品中，但與會的工程師們認為，該領域已經取得了巨大進步，碳納米管將通過實現低功耗、高性能的計算來提升硅芯片，從而在未來的系統(tǒng)中發(fā)揮關鍵作用。

CNT 的直徑約為一納米，電子穿過它們。早在 2016 年，研究人員就制造了第一個性能優(yōu)于基于硅的 CNT 晶體管。然而，事實證明，使用 CNT 構建復雜的電路和系統(tǒng)更具挑戰(zhàn)性。斯坦福大學電氣工程師 H.-S. Philip Wong 表示，他的團隊和其他人在 IEDM 上展示的結果表明，CNT 器件在過去幾年中取得了巨大進步。“許多基本問題已經解決，”他說。

在 IEDM 大會上，工程師們描述了碳納米管電路的愿景，該電路不會取代而是增強當今的計算系統(tǒng)。一些人希望 CNT 將在通過混合處理和內存來節(jié)省能源的新架構中發(fā)揮關鍵作用。例如，用于訓練大型 AI 模型的大部分能源并未用于計算;它花費在處理器和內存之間移動數據。在內存本身內進行計算可以減少這種能量消耗。

使碳納米管適用于半導體的方法

設計此類系統(tǒng)的方法有很多種，可以使用模擬存儲單元（節(jié)省能源但犧牲精度）或數字存儲單元（消耗更多能量但提供更好的性能）。在 IEDM 大會上，北京清瓜大學博士生張藝北 （Yibei Zhang） 描述了一種混合模擬和數字的堆疊計算系統(tǒng)，該系統(tǒng)在一些 CNT 控制電路的幫助下。底層是硅 CMOS，頂部有一層模擬 RRAM，最后是兩層由碳納米管電路供電的數字 RRAM。

這種堆疊設計稱為 “back-end-of-line” 方法。CNT 層可以使用不會損壞底層芯片的低溫技術構建在完成的硅 CMOS 之上。Zhang 的團隊使用該系統(tǒng)實現了一個神經網絡，他們預計該系統(tǒng)可以使用大約 1/17 的能量，工作速度約為傳統(tǒng)芯片的 119 倍。

在會議的主題演講中，臺積電執(zhí)行副總裁兼聯(lián)合首席運營官 Yuh-Jier Mii 表示，CNT“對于未來的擴展或在后端開發(fā)高性能邏輯可能很有趣。

不過，為了實現高性能，CNT 晶體管需要進一步開發(fā)，斯坦福大學博士后 Shengman Li 說。她是與 TSMC 合作實現這一目標的團隊的一員。像 Tsingua 組這樣的電路是由納米材料的糾纏網絡組成的。工程師可以從這些不完美的晶體管中獲得很多好處 — 2013 年，Li 的顧問 Wong 和 Subhasish Mitra 基于這些設備制造了一整臺計算機。但是，當工程師能夠完善對齊的單納米管晶體管的設計和制造時，他們期望獲得更大的性能提升。

CNT 的最后潤色

在 IEDM 上發(fā)表的兩篇論文側重于這種微調。北京大學的 Yi-Fan Liu 描述了他的團隊創(chuàng)造出具有創(chuàng)紀錄電子特性的高性能 CNT 器件。由于對器件的柵極接口進行了精心設計，他的團隊創(chuàng)造了具有高電流和破紀錄跨導的 CNT 晶體管陣列，該數字將施加到晶體管的電壓與其輸出電流相關聯(lián)。Transconductance 告訴工程師晶體管的能源效率和速度。

“這首次超過了硅 CMOS 的最大跨導，”Liu 說。他們的工藝需要用含鉿化合物對涂有對齊 CNT 的晶圓進行預處理，然后使用原子層沉積直接在納米管上生長柵極電介質。

斯坦福大學和臺積電集團也專注于他們的化學配方。斯坦福大學的 Li 介紹了他們摻雜 N 型 CNT 晶體管的方法。只需將其他原子混合到溝道材料中即可摻雜硅，但將原子添加到 CNT 等二維和一維材料中會破壞其結構。

解決此問題的一種方法是將摻雜劑放在通道的頂部，而不是通道內部。但是，如果摻雜劑的對準不對，晶體管的性能就會受到影響。在去年的 IEDM 大會上，該團隊介紹了他們制造 P 型 CNT 晶體管的方法。本周，他們展示了他們在 N 型方面的工作。

他們的方法確保摻雜劑直接放置在納米管上。由于這種摻雜，該團隊在 CNT NMOS 中取得了破紀錄的性能?，F在他們擁有了這兩種類型的高性能晶體管，斯坦福大學團隊表示，他們已經證明 CNT CMOS 可以與硅 CMOS 相媲美。

但前方還有更多艱巨的工作要做。Li 說，一些化學家或材料科學家要做的最后一件大事是完善一種將 CNT 精確放置在晶圓上的方法。今天，工程師知道如何制作完美筆直的平行納米材料陣列，所有這些陣列都像盒子里的一排鉛筆一樣排列在硅晶片上。但是納米管之間的間距是不均勻的。當工程師能夠控制這個間距或間距時，他們最終可能能夠充分發(fā)揮材料的潛力。

這些特寫顯示了集成到硅芯片中的碳納米管的示例。