麻省理工学院创造了第一个碳纳米管混合信号集成威廉希尔官方网站

SHARC进击：麻省理工学院的自我修复模拟采用RRAM和CNFET技术，被用于在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威廉希尔官方网站 都有一个“家丑不外扬”的秘密：有一些纳米管是金属的，而不是人们想要的半导体类型的。这一小部分坏管对于逻辑威廉希尔官方网站 来说并不是什么大问题。它们增加了一些噪音，但并没有增加逻辑威廉希尔官方网站 的数字特性处理不了的任何东西。问题一直是出在模拟威廉希尔官方网站 这边。

对于模拟威廉希尔官方网站 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国际固态威廉希尔官方网站 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中的威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 。

他们的解决方案依赖于碳纳米管场效应晶体管（CNTFET）和电阻式RAM存储器（RRAM）的3D集成。这种技术是Shulaker在斯坦福大学期间，协助 H.-S. Philip Wong 和 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出的硅威廉希尔官方网站 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的互连。即使将预处理过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，从而提高了层间带宽。

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，会创建出一个威廉希尔官方网站 ，该威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 所需的相同类型的CNTFET。那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。这些纳米管中至少有一个可能是金属的；诀窍是将其隔离，并将其从任何未来的威廉希尔官方网站 中除去。为了做到这一点，Shulaker的团队将源电极分解为三部分。从统计学上看，其中只有一部分会与金属电极相连。

为了确定是哪个部分并将其从威廉希尔官方网站 中移除，他们在每个漏极顶部集成了一个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减小。因此，他们在由RRAM和纳米管组成的威廉希尔官方网站 上施加电压。对于具有半导体连接的那两个部分，这没有效果；晶体管的栅极没有通电，所以电流不能流动。但对于隐藏着金属纳米管的那个部分来说，情况就完全不同了。金属纳米管在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，当晶体管实际用于威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 ，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碳纳米管威廉希尔官方网站 。

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。