MIT开发出首个碳纳米管混合信号集成电路

IEEE电气电子工程师学会 2019-02-27 18:15

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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,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:有些纳米管是金属的而不是人们想要的半导体类型。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RAM存储器RRAM3D集成。这种技术是Shulaker在斯坦福大学期间,协助 H.-S. Philip Wong  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互连。即使预处理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。

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。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部分统计中只有一部分会与金属电极相连。

为了确定个部分并将其从电路中移除,他们在每个漏极顶集成了一个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。因此,他们在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。

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