生产碳基芯片需要光刻机吗?

最后更新 : 2022.01.01  

你好,我是非著名头条创作者静婧的爸爸,很高兴回答你的问题。

生产碳基芯片需要光刻机吗?

本期导读:生产碳基芯片需要光刻机吗在当今社会芯片已经在我们的生活中占据了非常重要的位置,小小的芯片背后凝聚着全世界最先进的科学技术没有之一,以硅为材料的硅基芯片发展了几十年,越来越多的晶体管被集成在这个方寸之间,现在高端手机芯片的晶体管已经超过了1百亿个,在硅基芯片上摩尔定律已经接近了天花板,人们不断在寻找新的材料来突破碳基芯片遇到的这个瓶颈,目前最先进的碳纳米管制造的就是非常理想的晶体管材料,基于碳纳米管制造的碳基芯片并不需要光刻机。

生产碳基芯片需要光刻机吗?

硅基芯片和碳基芯片的生产方式世界上制造芯片的维纳结构主要有两种策略:

生产碳基芯片需要光刻机吗?

1. Top-Down:从上而下的方法

生产碳基芯片需要光刻机吗?

硅基芯片的制造就是利用了从上而下的微纳精加工技术,用到的设备就是ASML的光刻机。光刻机就像雕刻的刻刀,把芯片设计图纸上的器件用光刻画到硅晶圆上。

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2. Bottom-up:自下而上的方法

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碳基芯片的制造就是利用了此自下而上的微纳加工技术,就像盖房子一样。盖房子首先我们要用到砖头,再用砖头一点点自下而上的把房子盖起来,碳基芯片中盖房子用的砖头就是碳纳米管。

小结:这二种芯片的最大的区别在于硅基芯片是通过在硅晶圆上光刻和刻蚀等工艺,雕刻出复杂的芯片结构,而碳基芯片是从下而上,利用大量的碳纳米管,像搭乐高积木组装一样,搭建出宏观的芯片器件结构。归结到二个字:硅基芯片是刻,碳基芯片是搭!

碳基芯片目前发展情况目前世界上中国和美国作为世界领先的二家科技强国,中美已经在碳基芯片的研究上你追我赶了十几年的世界,说是中美之间的竞争其实是中美二个世界顶级名校实验室之间的角逐:北京大学和麻省理工学院。

由彭练矛院士带领的北大实验室,从2007年开始进行了碳基集成电路的课题项目,他们从碳管制造,组装工艺和元器件结构等方面入手,创造性的研发了一套高性能碳管cmos器件的无掺杂制造方法,通过调节接触金属的功函数来是实现器件极性的调控。简单来说就是改变碳纳米管的接触电极材料,利用带金属作为高功函数源漏电极,利用了铝作为低功函数源漏电极。

2017年彭院士带领的北大实验团队在碳管制造技术,碳管器件物理,性能极限探索等方面取得了突破性的进展,制造出了5nm栅极碳纳米管CMOS器件,工作速度2倍于Intel最新的商用硅晶体管,能耗却只有其的1/4,这表明在10nm以下碳纳米管cmos器件比硅基cmos器件具有明显的性能优势,此研究成果发布在《科学》杂志上,北大实验团队的突破性研究证明了碳基芯片的可行性和优越性。但是研究成功和大规模商用性生产还有很远的路要走,一时半会儿解决不了华为芯片产能的问题。

再来说说麻省理工学院,由Shulaker教授带领的团队,也在开展碳基芯片的相关研究,2019年,世界顶级杂志《科学》发表了Shulaker团队的论文,文章介绍了一种包含14000个碳晶体管的碳基微处理器,这个只有16位的微处理器基于RISC-V开源机构,在测试中执行了Hello,World程序,成功生成了信息Hello,world。

他们采用了一种叫MIXED的技术,这和北大实验团队的方法异曲同工,都是通过控制沉积的金属等电极材料来实现晶体管的功能,Shulaker团队更在乎与现有硅基芯片工艺的兼容,他们使用目前标准的EDA芯片设计软件,利用硅基芯片兼容的材料和工艺制备,从而得到了一个由14000个碳基晶体管组成的集成电路,这种方式可以更快的实现产业应用,基本上是硅基芯片30年前的技术水平,想要真正达到商用大批量生产同样也需要很长的路要走。

中国在这场未来科技战场的竞争中稍微领先与麻省团队的实用功利主义思路不同,北大的实验团队目标是可以完全超越硅基芯片的创新思想。2020年5月,北大实验团队在《科学》杂志上再次取得突破性进展,他们解决了一种重要的难题,如何实现高纯度碳纳米管的整齐排列搭建,他们创新性的制备出纯度优于99.9999%的碳纳米管溶液,利用高纯度溶液通过维度限制组装,在4英寸硅片上制备了排列整齐的高密度碳管搭建。通过这种发放他们制造出的微处理器比麻省实验室制造出的微处理器要小,但是相比特征长度相似的硅晶体管,碳基晶体管显示出了更大优越的性能。

最后总结:碳基芯片的制造就是需要在晶圆上制备大面积,高密度高纯度的碳管排列,目前北大的相关研究技术已经领先全球,假以时日我相信中国的碳基芯片研究一定会在商业应用上取得突破,早日突破国外的技术壁垒,制造出高端先进的碳基芯片,到那一日,华为就不需要看别人的脸色了,希望华为能够挺住这几年!

我是一个生活在魔都的80后,热衷于给我们家静婧做好吃的美食,如果你喜欢我的问答,请给予关注,评论和收藏,谢谢。

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