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5nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)新突破，碳納米管CMOS器件性能提高不止一點(diǎn)點(diǎn)

作者：中國科學(xué)院成都有機(jī)化學(xué)有限公司來源：http://m.sikpqwc.cn 日期：2017-01-23 13:10:21

性能遙遙領(lǐng)先傳統(tǒng)硅器件

在此基礎(chǔ)上，課題組全面比較了碳納米管CMOS器件的優(yōu)勢和性能潛力。研究表明，與相同柵長的硅基CMOS器件相比，碳納米管CMOS器件具有10倍左右的速度和動(dòng)態(tài)功耗（能耗延時(shí)積， EDP）綜合優(yōu)勢，以及更好的可縮減性。

對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表明，5納米柵長的碳管器件開關(guān)轉(zhuǎn)換僅有約1個(gè)電子參與，并且門延時(shí)達(dá)到了42fs，非常接近二進(jìn)制電子開關(guān)器件的極限（40fs），該極限由海森堡測不準(zhǔn)原理和香農(nóng)－馮諾依曼－郎道爾定律（SNL）決定。表明5納米柵長的碳納米管晶體管已經(jīng)接近電子開關(guān)的物理極限。

圖3：碳納米管CMOS器件與傳統(tǒng)半導(dǎo)體器件的比較。A：基于碳管陣列的場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)示意圖；B－D：碳管CMOS器件（藍(lán)色、紅色和橄欖色的星號(hào)）與傳統(tǒng)材料晶體管的亞閾值擺幅（SS），本征門延時(shí)和能量延時(shí)積的比較。

研究人員研究了接觸尺寸縮減對(duì)器件性能的影響，探索了器件整體尺寸的縮減。將碳管器件的接觸電極長度縮減到25納米，在保證器件性能的前提下，實(shí)現(xiàn)了整體尺寸為60納米的碳納米管晶體管，并且成果演示了整體長度為240納米的碳管CMOS反相器，這是目前實(shí)現(xiàn)的最小納米反相器電路。

該成果的重要意義

這是中國首次掌握了世界上最先進(jìn)的晶體管技術(shù)，如果能加以推廣，將會(huì)成為未來最先進(jìn)的芯片制造技術(shù)。這種新技術(shù)的出現(xiàn)，使得國內(nèi)半導(dǎo)體制造首次有機(jī)會(huì)引領(lǐng)世界領(lǐng)先水平。

硅基技術(shù)即將發(fā)展到盡頭，傳統(tǒng)芯片的性價(jià)比提升空間非常小。Intel，三星，TSMC三大巨頭，特別是Intel一直在尋找新一代半導(dǎo)體器件技術(shù)，但是新的技術(shù)在原有硅基技術(shù)上提升非常有限。我們的掌握的碳管技術(shù)與最先進(jìn)的硅基技術(shù)相比性能上六代以上的優(yōu)勢，約20年的發(fā)展。所以，如果碳基技術(shù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，將有可能徹底改變半導(dǎo)體制造行業(yè)的格局，Intel，三星和臺(tái)積電的優(yōu)勢不復(fù)存在，而我國會(huì)擁有最先進(jìn)的芯片技術(shù)。

研究成果表明在10納米以下技術(shù)節(jié)點(diǎn)，碳納米管CMOS器件相對(duì)于硅基CMOS器件具有明顯優(yōu)勢，且有望達(dá)到由測不準(zhǔn)原理和熱力學(xué)決定的二進(jìn)制電子開關(guān)的性能極限。

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