Elettronica digitale a nanotubi di carbonio
Alcuni esperti nel campo dell’ingegneria elettronica hanno suggerito che l’uso di semiconduttori a ossido di metallo complementare al silicio (CMOS) inizierà a declinare rapidamente entro la fine del 2020.
Nonostante le loro previsioni, una classe di materiali alternativi in grado di sostenere efficacemente il potere computazionale di nuovi dispositivi, pur mantenendo buone efficienze energetiche, deve ancora essere chiaramente stabilito.
Negli ultimi anni, i ricercatori hanno proposto diversi materiali che potrebbero in definitiva sostituire i dispositivi CMOS attuali. Alcuni dei candidati più promettenti sono l’ elettronica basata su nanotubi di carbonio (CNT), che può essere fabbricata utilizzando una varietà di tecniche diverse.
Un team di ricercatori dell’Università di Pechino e dell’Università di Xiangtan in Cina ha recentemente condotto uno studio per studiare il potenziale dei materiali CNT per la fabbricazione di elettronica. Nel loro articolo, pubblicato su Nature Electronics , i ricercatori hanno discusso dello sviluppo nel tempo di transistor CMOS basati su nanotubi , evidenziando anche alcuni dei materiali CNT attualmente disponibili per i produttori di elettronica.
“CNT è un materiale elettronico ideale che offre soluzioni in cui fondamentalmente altri semiconduttori falliscono, in particolare se ridimensionato su una scala dimensionale inferiore a 10 nm”, ha detto uno dei ricercatori che ha effettuato lo studio. “In questo lavoro, abbiamo dimostrato che l’elettronica basata su CNT ha il potenziale per superare di gran lunga quella della tecnologia al silicio (dimostrata sperimentalmente con un vantaggio dieci volte maggiore) e che i circuiti integrati (IC) su larga scala possono essere costruiti utilizzando nanotubi di carbonio”.
I parametri fisici rilevanti dei CNT, come la loro struttura e proprietà elettroniche, sono ora ben noti nel settore. Per esplorare efficacemente le potenziali limitazioni dei materiali CNT, Peng e i suoi colleghi Zhiyong Zhang e Chenguang Qiu hanno quindi analizzato le prestazioni e le qualità dei singoli CNT, concentrandosi su questi parametri specifici.
“I nostri risultati mostrano che nei nodi con tecnologia sub-10 nm, i transistor CNT possono essere 3 volte più veloci e 4 volte più efficienti dal punto di vista energetico rispetto ai loro omologhi in silicio”, ha spiegato Peng. “Abbiamo dimostrato che, anche utilizzando la struttura di fabbricazione universitaria molto limitata, possiamo fabbricare transistor che superano di gran lunga i transistor al silicio, indicando che l’industria dei chip potrebbe andare avanti con la velocità attuale per molti più decenni”.
Lo studio condotto da Peng e dai suoi colleghi fornisce ulteriori prove che suggeriscono che i transistor CNT sono un’alternativa praticabile e desiderabile agli attuali dispositivi CMOS al silicio. Nelle loro analisi, i ricercatori hanno anche evidenziato alcuni dei vantaggi e degli svantaggi dei circuiti integrati su media scala che sono stati sviluppati fino ad oggi, nonché le sfide che attualmente ne impediscono l’implementazione su larga scala.
Secondo Peng e i suoi colleghi, lo sviluppo di circuiti integrati (IC) con nuove strutture di chip 3D potrebbe migliorare ulteriormente le prestazioni dei materiali CNT, rendendoli fino a centinaia di volte più potenti. Le loro analisi e i risultati precedenti raccolti da altri team di ricerca alla fine suggeriscono la possibilità che la tecnologia CNT sia la soluzione per fornire una tecnologia di chip più potente e ad alta efficienza energetica nell’era post-Moore.
“In questo momento, possiamo fabbricare pochi transistor estremamente potenti su singoli CNT, ma circuiti integrati non molto complicati”, ha detto Peng. “D’altra parte, possiamo costruire circuiti integrati basati su CNT con oltre 10k transistor in tridimensionalità utilizzando il film sottile CNT ma con prestazioni molto limitate. In futuro, dovremo combinare le due direzioni della ricerca, costruendo grandi prestazioni ad alte prestazioni- circuiti integrati in scala che utilizzano film CNT con prestazioni superiori a quelle della tecnologia dei chip di silicio “.
