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氮化钽OUT了石墨烯作为保护层的时代已经到来

2019-10-09 00:30:31来源:励志吧0次阅读

图片说明:Ir(111)上石墨烯通过隧道显微镜(STM,Scanning tunnelling microscopy)扫描的图像,图像大小为15 nm 15 nm。图片来源:ESRF

典型的计算机芯片包括数以百万计的晶体管与广泛的铜线网络。虽然芯片导线相比家用电线又短又薄,但是二者有一个共同点:铜丝都用保护套包裹着。

多年来,氮化钽材料被用于制作芯片导线的保护层。

目前,斯坦福大学(Stanford University)主导的实验表明,另一种保护材料--石墨烯,可以使得电子更快速地通过微小的铜导线。

石墨烯是单层碳原子,分布在强壮但是稀薄的晶格上。斯坦福大学电气工程师H.-S. Philip Wong说,这种用石墨烯包装导线的晶体管的特性使得数据交换的速度可能比当前更快。随着晶体管的体积不断缩小,石墨烯的优势在未来将变得更明显。

他说:研究人员在芯片的所有其他组件方面已经取得了巨大进步,然而直到最近在改善导线的性能方面还是没有太大进展。

Wong领导一个6人团队,其中包括来自威斯康星大学麦迪逊分校(University of Wisconsin-Madison)的两名研究人员。他们将在京都举行的超大规模集成技术和电路研讨会上展示他们的发现。

Ling Li是斯坦福大学一名电气工程专业的研究生,且是该论文的第一作者,她解释了为什么改变连接电线的外部包装可以对芯片性能产生如此重大的影响。

这个保护层具有双重作用:既隔离铜和芯片上的硅,也用于导电。

对于硅芯片,晶体管就像可以通断电子的微小通道,这种开关功能正是晶体管处理数据的过程。

一旦数据被处理后,晶体管间的铜线就会传输这些数据。

当前的绝缘材料氮化钽,能阻止铜迁移到硅晶体管,并使其不能发挥作用。

为什么想到了石墨烯?

两个原因,首先是电子元件体积日趋变小的需求。

当斯坦福大学团队使用目前最薄的氮化钽层来实现此绝缘功能时,他们发现该行业标准比石墨烯层厚八倍。

其次,石墨烯作为保护层的另一个优势是,区别芯片导线与家用电线的外部保护层工作机制的不同,而这是至关重要的。

家用电线外层的目的主要是绝缘,以防止触电或火灾。

对于芯片而言,如果铜原子渗入硅,晶体管将停止工作。因此,芯片上的保护层是为了隔离铜和硅。

斯坦福大学的实验表明,石墨烯可以实现此隔离的作用,同时还具有导电功能。其晶格结构允许电子沿着导线直接从一个碳原子飞跃到另一个碳原子,同时能有效地将铜原子约束在铜导线内。

石墨烯层拥有如此薄的厚度,以及隔离、导电的双重作用,这些优点使得这一新技术能在晶体管之间传输更多的数据,从而提高芯片整体性能。

目前,该芯片的优势还不太明显,石墨烯隔离器可以将线速从4%提高到17%,这取决于线的长度。

但随着晶体管和导线的尺寸不断缩小,超薄且具有导电性的石墨烯的优势将更明显。斯坦福大学的工程师们预计,再过两代,该技术能将线速提高到30%。

斯坦福大学的研究人员认为,更快的运行速度的希望将促使其他研究人员对导线的研究产生兴趣,这也有助于人们将该技术引入实用。

石墨烯生长技术,尤其是在芯片量产中直接在导线上生长石墨烯的技术,是该技术中的一个重要部分。除了与同来自威斯康星大学的教授Michael Arnold合作外,Wong还借鉴了普渡大学(Purdue University)Zhihong Chen教授的想法。Wong注意到使用石墨烯作为隔离器的想法来自于美国康奈尔大学(Cornell University)教授Paul McEuen,他是这个领域的开拓者。加州大学河滨分校(University of California-Riverside)的Alexander Balandin对在芯片中使用石墨烯也作出了相当杰出的贡献。

Wong说:长久以来,电子行业将受益于石墨烯的说法颇为盛行,而将石墨烯作为芯片中铜隔离层或许是将该预言变为现实的第一步。(译审:Y Chen)

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