麻省理工學(xué)院創(chuàng)造了第一個(gè)碳納米管混合信號(hào)集成電路

SHARC進(jìn)擊：麻省理工學(xué)院的自我修復(fù)模擬采用RRAM和CNFET技術(shù)，被用于在4位電容數(shù)模轉(zhuǎn)換器中制造碳納米管運(yùn)算放大器。

我們多年來所聽說過的所有令人驚嘆的碳納米管邏輯電路都有一個(gè)“家丑不外揚(yáng)”的秘密：有一些納米管是金屬的，而不是人們想要的半導(dǎo)體類型的。這一小部分壞管對(duì)于邏輯電路來說并不是什么大問題。它們?cè)黾恿艘恍┰胍?，但并沒有增加邏輯電路的數(shù)字特性處理不了的任何東西。問題一直是出在模擬電路這邊。

對(duì)于模擬電路來說，這種游離的金屬納米管可能像蛇怪的毒液。在上周于舊金山舉行的IEEE國(guó)際固態(tài)電路會(huì)議（IEEE International Solid-State Circuits Conference）上，Aya G. Amer向參會(huì)的工程師們解釋說：“單個(gè)金屬（碳納米管）會(huì)導(dǎo)致一個(gè)簡(jiǎn)單放大器中的電路完全失效?！盇mer和她在麻省理工學(xué)院Max Shulaker實(shí)驗(yàn)室的同事們找到了解決這個(gè)問題的方法，創(chuàng)造了第一個(gè)碳納米管混合信號(hào)集成電路。

他們的解決方案依賴于碳納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管（CNTFET）和電阻式RAM存儲(chǔ)器（RRAM）的3D集成。這種技術(shù)是Shulaker在斯坦福大學(xué)期間，協(xié)助H.-S. Philip Wong和Subhasish Mitra開創(chuàng)的。（2016年7月，IEEESpectrum上發(fā)表了他們?nèi)撕蠈懙奈恼隆癈omputing With Carbon Nanotubes”，文中描述了一條通往基于碳納米管的計(jì)算機(jī)的發(fā)展之路。）

該工藝包括將碳納米管沉積在已生產(chǎn)出的硅電路的一層上，處理這些碳納米管以形成晶體管和它們的互連，然后在該堆疊頂部構(gòu)建RRAM。這不是用硅電子層就能做到的，因?yàn)樗婕暗墓に嚋囟葧?huì)破壞金屬的互連。即使將預(yù)處理過的硅芯片堆疊也無法與之匹敵，因?yàn)檫@些芯片的垂直連接能力有限。斯坦福大學(xué)/麻省理工學(xué)院所發(fā)明的這一方法可以使垂直互連的密度提高數(shù)千倍，從而提高了層間帶寬。

美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）對(duì)這項(xiàng)技術(shù)非常感興趣，為此投入了6100萬美元，讓位于明尼蘇達(dá)州布魯明頓市的SkyWater technology Foundry公司去開發(fā)制造工藝。

插圖來源：MIT

麻省理工學(xué)院的SHARC方法從碳納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管開始。然后通過分解源電極來分離出單獨(dú)的金屬納米管。在源電極頂部集成RRAM，會(huì)創(chuàng)建出一個(gè)電路，該電路使RRAM電阻只在金屬納米管所在的地方固定在高阻態(tài)。場(chǎng)效應(yīng)晶體管現(xiàn)在只有半導(dǎo)體納米管。

這一模擬工藝首先構(gòu)建邏輯電路所需的相同類型的CNTFET。那基本上是埋在通道下方的一種金屬柵極，通道由許多水平對(duì)齊的碳納米管構(gòu)成，這些碳納米管在源極和漏極之間延伸。這些納米管中至少有一個(gè)可能是金屬的；訣竅是將其隔離，并將其從任何未來的電路中除去。為了做到這一點(diǎn)，Shulaker的團(tuán)隊(duì)將源電極分解為三部分。從統(tǒng)計(jì)學(xué)上看，其中只有一部分會(huì)與金屬電極相連。

為了確定是哪個(gè)部分并將其從電路中移除，他們?cè)诿總€(gè)漏極頂部集成了一個(gè)RRAM單元。RRAM以電阻的形式保存數(shù)據(jù)。電流向一個(gè)方向流動(dòng)，電阻增加，向另一個(gè)方向流動(dòng)則電阻減小。因此，他們?cè)谟蒖RAM和納米管組成的電路上施加電壓。對(duì)于具有半導(dǎo)體連接的那兩個(gè)部分，這沒有效果；晶體管的柵極沒有通電，所以電流不能流動(dòng)。但對(duì)于隱藏著金屬納米管的那個(gè)部分來說，情況就完全不同了。金屬納米管在晶體管上起短路的作用，電流通過它及其附著的RRAM電池流出。這導(dǎo)致RRAM單元的電阻跳躍到如此之高的值，以至于有效地切斷了包含金屬納米管的路徑。所以，當(dāng)晶體管實(shí)際用于電路時(shí)，只有半導(dǎo)體通路起作用。

Amer和Shulaker將這一工藝稱為“使用RRAM和CNFET的自我修復(fù)模擬”（SHARC）;晶體管自身的缺陷可以自行修復(fù)。該團(tuán)隊(duì)在模擬部分使用SHARC構(gòu)建了兩個(gè)混合信號(hào)電路，一個(gè)4位數(shù)模轉(zhuǎn)換器和4位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。后者使用了306個(gè)CNFET，是迄今為止見諸報(bào)道的最大的CMOS碳納米管電路。

Shulaker說，SHARC技術(shù)“與我們正在做的一系列事情能很好地結(jié)合在一起”，這些事情中包括SkyWater項(xiàng)目?！癉ARPA的計(jì)劃是關(guān)于計(jì)算的，計(jì)算不僅僅是”數(shù)字邏輯。