麻省理工學院的自我修復模擬采用RRAM和CNFET技術，被用于在4位電容數模轉換器中制造碳納米管運算放大器。

 

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“家丑不外揚”的秘密：有一些納米管是金屬的，而不是人們想要的半導體類型的。這一小部分壞管對于邏輯電路來說并不是什么大問題。它們增加了一些噪音，但并沒有增加邏輯電路的數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國際固態電路會議（IEEE International Solid-State Circuits Conference）上，Aya G. Amer向參會的工程師們解釋說：“單個金屬（碳納米管）會導致一個簡單放大器中的電路完全失效。”Amer和她在麻省理工學院Max Shulaker實驗室的同事們找到了解決這個問題的方法，創造了第一個碳納米管混合信號集成電路。

 

他們的解決方案依賴于碳納米管場效應晶體管（CNTFET）和電阻式RAM存儲器（RRAM）的3D集成。這種技術是Shulaker在斯坦福大學期間，協助 H.-S. Philip Wong 和 Subhasish Mitra開創的。（2016年7月，IEEE Spectrum上發表了他們三人合寫的文章“Computing With Carbon Nanotubes”，文中描述了一條通往基于碳納米管的計算機的發展之路。）

 

該工藝包括將碳納米管沉積在已生產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建RRAM。這不是用硅電子層就能做到的，因為所涉及的工藝溫度會破壞金屬的互連。即使將預處理過的硅芯片堆疊也無法與之匹敵，因為這些芯片的垂直連接能力有限。斯坦福大學/麻省理工學院所發明的這一方法可以使垂直互連的密度提高數千倍，從而提高了層間帶寬。

 

美國國防高級研究計劃局（DARPA）對這項技術非常感興趣，為此投入了6100萬美元，讓位于明尼蘇達州布魯明頓市的SkyWater technology Foundry公司去開發制造工藝。

 

插圖來源：MIT

 

麻省理工學院的SHARC方法從碳納米管場效應晶體管開始。然后通過分解源電極來分離出單獨的金屬納米管。在源電極頂部集成RRAM，會創建出一個電路，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。場效應晶體管現在只有半導體納米管。

 

這一模擬工藝首先構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，通道由許多水平對齊的碳納米管構成，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，Shulaker的團隊將源電極分解為三部分。從統計學上看，其中只有一部分會與金屬電極相連。

 

為了確定是哪個部分并將其從電路中移除，他們在每個漏極頂部集成了一個RRAM單元。RRAM以電阻的形式保存數據。電流向一個方向流動，電阻增加，向另一個方向流動則電阻減小。因此，他們在由RRAM和納米管組成的電路上施加電壓。對于具有半導體連接的那兩個部分，這沒有效果；晶體管的柵極沒有通電，所以電流不能流動。但對于隱藏著金屬納米管的那個部分來說，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，當晶體管實際用于電路時，只有半導體通路起作用。

 

Amer和Shulaker將這一工藝稱為“使用RRAM和CNFET的自我修復模擬”（SHARC）; 晶體管自身的缺陷可以自行修復。該團隊在模擬部分使用SHARC構建了兩個混合信號電路，一個4位數模轉換器和4位模數轉換器。后者使用了306個CNFET，是迄今為止見諸報道的最大的CMOS碳納米管電路。

 

Shulaker說，SHARC技術“與我們正在做的一系列事情能很好地結合在一起”，這些事情中包括SkyWater項目。“DARPA的計劃是關于計算的，計算不僅僅是”數字邏輯。