الف – پرداخت وجه بحساب وب سایت ایران ترجمه(شماره حساب)ب- اطلاع جزئیات به ایمیل irantarjomeh@gmail.comشامل: مبلغ پرداختی – شماره فیش / ارجاع و تاریخ پرداخت – مقاله مورد نظر --مقالات آماده سفارش داده شده پس از تایید به ایمیل شما ارسال خواهند شد.
قیمت
قیمت این مقاله: 38000 تومان
(ایران ترجمه - Irantarjomeh)
توضیح
بخش زیادی از این مقاله بصورت رایگان ذیلا قابل مطالعه می باشد.
شماره
۱۵۲
کد مقاله
ELC152
مترجم
گروه مترجمین ایران ترجمه – irantarjomeh
نام فارسی
اتصالات میانی گرافن و نانو لوله کربنی کاملاً یکپارچه برای الکترونیک CMOS پرسرعت گیگاهرتزی
نام انگلیسی
Fully Integrated Graphene and Carbon Nanotube Interconnects for Gigahertz High-Speed CMOS Electronics
تعداد صفحه به فارسی
۲۲
تعداد صفحه به انگلیسی
۸
کلمات کلیدی به فارسی
نانو لوله های کربنی, گرافن, سرعت بالا, اتصال میانی, رو تراشه
کلمات کلیدی به انگلیسی
Carbon nanotubes, graphene, high speed, interconnect, on-chip
مرجع به فارسی
مقالات ابزارهای الکترونی
IEEE
مرجع به انگلیسی
IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON
کشور
ایالات متحده
اتصالات میانی گرافن و نانو لوله کربنی کاملاً یکپارچه برای الکترونیک CMOS پرسرعت گیگاهرتزی
چکیده
نانو مواد پایه کربن نظیر نانو لوله های کربنی تک جداره فلزی، نانو لوله های کربنی چند جداره (MWCNTs) و گرافن، به واسطه ظرفیت حمل بالای جریان و قابلیت رسانش بالا در مقیاس نانو و مصونیت در برابر مهاجرت الکتریکی، به عنوان برخی از قابل توجه ترین کاندیدها برای فناوری اتصال میانی آتی به شمار می آیند. این ویژگی مشخص کننده یک چالش بزرگ برای کاهش مقیاس اتصالات میانی مسی متعارف می باشد. بنابراین، مطالعات انجام شده در زمینه عملکرد و بهینه سازی اتصالات میانی پایه کربن که تحت شرایط محیطی عملیاتی واقعی کار می کنند به منظور پیشرفت فناوری فراتر از فاز اکتشاف توصیفی ضروری تلقی می شوند. در این مقاله، ما اولین ویژگی های اتصالات میانی گرافن، که به صورت یکنواخت قابلیت یکپارچگی با فناوری نیمه هادی ـ اکسید ـ فلزی مکمل استاندارد صنعتی را دارد، و همچنین به عنوان اولین نتایج تجربی که در آن اقدام به مقایسه عملکرد گرافن رو تراشه ای پرسرعت و اتصالات میانی MWCNT می شود، را ارائه می نماییم. اتصالات میانی گرافن قابلیت عمل تا فرکانس ۳/۱ گیگاهرتز را دارند، که به عنوان سرعتی تلقی می شود که در تناسب با سریعترین تراشه های پردازشگر پرسرعت امروزی بشمار می آید. یک تکنیک سیگنالینگ کم نوسان جهت ارتقای سرعت اتصالات میانی کربنی تا میزان ۳۰% ارائه شده است.
کلمات کلیدی:نانو لوله های کربنی، گرافن، سرعت بالا، اتصال میانی، رو تراشه.
اتصالات گرافن و نانو لوله کربنی الکترونیک CMOS
۱- مقدمه
سیم های اتصال میانی غالباً به عنوان یکی از اجزای فناوری اصلی مدارهای جامع پر سرعت مدرن به شمار می آیند. در غالب فناوری های مدارهای جامع (IC) پیشرفته، خازن مرتبط با این تجهیزات اتصال میانی نوعاً مسئول ۵۰% میزان مصرف توان پردازنده فعال تلقی شده [۱]، و بنابراین تأخیر سیگنال نیز در ارتباط با این اتصالات میانی یکی از تنگناهای اصلی مسیریابی سیگنال های پرسرعت به شمار می آید. با توجه به پیشرفت فرآیند کوچک سازی ابزاره های نیمه هادی، نیاز جهت ادوات اتصال میانی سریعتر، نازک تر و درازتر، همراه با میزان مصرف کمتر نیرو به صورت محرز تری مشخص شده است. مواد اتصال میانی متعارف نظیر مس، به هنگامی که اقدام به کوچک سازی ابعاد فیزیکی تجهیزات تا حد نانومقیاس می نماییم، با چالش های زیادی در ارتباط با ارضای نیازها رو به رو خواهند بود. در ابتدا، رسانایی مس به طور معنی داری کاهش می یابد، آن هم به هنگامی که اقدام به کاهش ابعاد عرضی ابزاره مورد نظر نماییم: مقاومت اتصالات میانی محلی به هنگامی تا حدوداً ۵۰% افزایش خواهد یافت که گام سیم از ۱۰۰ به ۵۰ نانومتر به واسطه پراکنش فزاینده الکترون در مرزهای دانه و سطوح سیم کاهش یابد [۲]، که سبب افزایش تأخیر سیگنال مدار خواهد شد. موردی که از اهمیت بالسویه ای برخوردار می باشد آن است که پایایی سیم ها یا مفتول های مسی به هنگامی با مشکل مواجه خواهد شد که چگالی جریان به واسطه کوچک سازی یا مینیاتورسازی وسیله افزایش یابد. مقاومت فزاینده سیم منجر به افزایش حرارت ژول گردیده و در نتیجه موجب تنزل طول عمر مهاجرت الکتریکی می شود، که خود در نهایت سبب کاهش حداکثر میزان مجاز چگالی جریان در سیم های مسی می گردد [۲] ـ [۴]. بنابراین، مواد جایگزین اتصال میانی به طور فعالی مورد بررسی قرار گرفته تا قابلیت ارتقای عملکرد اتصال میانی روتراشه ای حاصل شود [۵].
در خلال سالیان اخیر، توجه زیادی به گرافن شده است که علت آن را می توان قابلیت آن به عنوان یک ماده جدید و توانمند برای الکترونیک پرسرعت ذکر کرد [۶] ـ [۹]، و در این راستا می توان اینگونه بیان داشت که چنین وسیله ای نه تنها قابلیت به اشتراک گذاری خواص حمل برجسته ای را به عنوان نانو لوله های کربنی دارد [۱۰] ـ [۱۳]، نظیر مسافت آزاد میانگین زیاد و ظرفیت زیاد حمل جریان، بلکه ارائه دهنده مزیت های بالقوه نظیر فرآیند ساخت ساده تر، کنترل بهتر ماده و قابلیت تولید مجدد بهتر می باشد [۱۴]. محققین اقدام به نشان دادن ترانزیستورهای گرافن با قابلیت ذاتی فرکانس قطع به میزان تا ۱۰۰ گیگاهرتز [۷]، تجدیدکننده های نانو مکانیکی گرافنی با قابلیت عمل در ۵۰ ـ ۸۰ مگاهرتز [۸]، و سوئیچ های میکروویو با قابلیت عمل در محدوده گیگاهرتز (GHz) [9] نموده اند. به هنگام کاربرد به عنوان اتصالات میانی، گرافن همچنین نشان دهنده یک پتانسیل سطح بالا می باشد: محاسبات تئوریکی قبلی نشان دهنده آن هستند که رسانایی نانو ریبون های گرافن فلزی (GNR) بهتر از سیم های مسی و با ضریب نسبت واحد می باشد آن هم به هنگامی که پهنای اتصال میانی تا زیر ۸ نانومتر تقلیل می یابد [۱۵]. این تئوری همچنین پیش بینی کننده GNRs دوپه شده با کیفیت سطح بالا است که ارائه دهنده تأخیر سیگنال کوچکتری در مقایسه با مس در گره فناوری ۱۱ نانومتری به هنگام بکارگیری به عنوان سیم های گلوبان می باشد [۱۶]. ویژگی های آزمایشی DC نشان دهنده آن است که مقاومت GNRs با کیفیت خوب در محدوده پهنای از ۱۸ تا ۵۰ نانومتر کمتر از ۱۰ mW است، که قابل قیاس با سیم های مسی با ابعاد فیزیکی مشابه می باشد [۱۷]. به علاوه، GNRs دارای چگالی جریان فروپاشی یا شکست در مرتبه است، که میزان ۱۰ برابر حداکثر چگالی جریان مجاز مس تلقی می شود [۱۸]. با این وجود، علیرغم ویژگی های مطلوب تئوریکی و نتایج مربوط به مؤلفه های DC اتصالات میانی گرافن، مشاهدات تجربی سیگنالینگ پرسرعت با استفاده از این اتصالات میانی گرافنی هنوز ایجاد نشده است، و هیچ گونه گزارشی در خصوص جامعیت یا یکپارچگی گرافن با فناوری CMOS استاندارد نیز ارائه نگردیده است، که به عنوان یک مؤلفه ضروری کلیدی برای الکترونیک گرافن جامع آتی به شمار خواهد آمد. بر این مبنا ما این مسایل را از طریق ارائه اولین آزمایشات مربوط به اتصالات میانی گرافن پرسرعت و یکپارچه با یک مدار اسیلاتور حلقه ای کم نوسان CMOS استاندارد، با قابلیت بکارگیری فراتر از ۱ گیگاهرتز، ارائه می نماییم که به عنوان یک مؤلفه اصلی برای مبحث الکترونیک گرافن به شمار می آید.
اتصالات گرافن و نانو لوله کربنی الکترونیک CMOS
۲- مدار با نوسان اندک
مدار اسیلاتورحلقوی پنج مرحله ای CMOS با استفاده از فناوری CMOS 25/0 ـ میکرومتر استاندارد ساخته شد. هر اسیلاتور حلقوی با یک سیم اتصال میانی مفقوده طراحی شده است که با استفاده از آن یک سیم اتصال میانی گرافن متعاقباً به صورت یکپارچه بکار گرفته شد. تنها یک اتصال میانی گرافن با هر اسیلاتور حلقوی یکپارچه گردیده، به گونه ای که ما قابلیت مشخص سازی هر اتصال میانی گرافنی به صورت منفرد را داشته و در عین حال می توانیم سرعت بالای نوسان را نیز حفظ نماییم. یک تکنیک سیگنالی کم نوسان برای مدار اسیلاتور حلقوی بکار گرفته شد تا به عنوان یک روش جهت بررسی عملکرد فرکانس بالای اتصالات میانی استفاده شود. یک نوسان سیگنال ـ ورودی پایینتر قابلیت کاهش زمان مورد نیاز جهت شارژ خازن بار را خواهد داشت، بنابراین از این مورد می توان جهت ارتقای سرعت اسیلاتور حلقوی به طور اساسی استفاده نمود. از آنجایی که تمرکز اصلی این مقاله عملکرد اتصال میانی می باشد، مساحت محتمل بیشتر تراشه و هزینه توان ارائه یک گیرنده کم نوسان در اینجا مورد بحث قرار نمی گیرد، اما در جای دیگر قبلاً مورد بررسی قرار گرفته است [۱۹]. شکل ۱ (الف) نشان دهنده دیاگرام مدار اسیلاتور حلقوی می باشد. آمپلی فایر دینفرانسیل در انتهای گیرنده فراهم آورنده حساسیت سیگنال بالاتری در مقایسه با یک اینورتور ساده می باشد. شبیه سازی نشان دهنده آن است که تأخیر سیگنال ۳۰ میکرومتر اتصالات میانی نانو لوله کربنی چند جداره ای (MWCNT) (با قطر تقریباً ۳۰ نانومتر و مقاومت تقریباً ۶۵۰) در این لوپ اسیلاتور حلقوی کم نوسان را می توان در مرتبه ps 100 در نظر گرفت [به شکل ۱ (ب) رجوع شود].
جهت نشان دادن ارتقای عملکرد حاصل آمده به وسیله طراحی مدار اسیلاتور حلقوی ارتقا یافته، ما اقدام به یکپارچه سازی موارد با استفاده از الکتروفورز، نمودیم که مشابه با اتصالات میانی MWCNT در اسیلاتورهای حلقوی CMOS کم نوسان و اسیلاتورهای CMOS دارای نوسان کامل استاندارد می باشد. جزئیات فرآیند ساخت در مرجع [۲۰] ارائه شده است. ویژگی های آزمایشی و نتایج مربوطه نشان دهنده ارتقای سرعت معنی داری به میزان ۳۰% برای مقاومت سیم است [شکل ۱(ج)].
اتصالات گرافن و نانو لوله کربنی الکترونیک CMOS
۳- ساخت ابزاره اتصال میانی گرافن
این فرآیند شامل رشد گرافن / انتقال و ساخت پسا ـ CMOS می باشد، همانگونه که در شکل ۲ نشان داده شده است. در ابتدا، یک گرافن چند لایه ای دارای مساحت بزرگ (با ضخامت میانگین حدوداً ۱۵ الی ۲۰ نانومتر، که با استفاده از میکروسکوپ نیروی اتمی برآورد شده است) با استفاده از رسوب بخار شیمیایی (CVD) بر روی یک لایه نیکل تبخیر شده پرتو ـ الکترون ۵۰۰ نانومتر رشد داده شده و متعاقباً به یک تراشه CMOS 5 mm´ ۵ mm، با ویژگی مدار کم نوسان، همانگونه که قبلاً بحث شد، انتقال داده شد. رشد CVD برای ۵ دقیقه در دمای ۱۰۰۰ درجه سلسیوس، با ۵ sccm متان و ۱۳۰۰ sccm هیدروژن انجام شد [۲۱]. پس از تکمیل رشد، یک لایه نازک پلی متیل متاکریلیت (PMMA) بر روی سطح فوقانی سوبسترا یا زیر لایه گرافن / نیکل قرار داده شده و یک محلول آبی HC1 10% جهت برداشت لایه گرافن ـ PMMA از لایه نیکل زیرین استفاده شد. متعاقباً، فیلم گرافن ـ PMMA بر روی سوبسترا یا زیر لایه هدف قرار گرفته و PMMA متعاقباً با استفاده از استون شستشو گردید. یک مقاومت ورقه ای میانگین حدوداً ۷۰۰ Ω/sq برای گرافن قبل از پردازش پسا ـ CMOS از طریق انتقال گرافن بر روی بخش فوقانی سوبسترای Si/SiO2 اعمال گردید. به طور اساسی، این روش قابل مقیاس با توجه به انتقال مساحت های فرضی بزرگ گرافن از زیر لایه های فرضی به زیر لایه های CMOS می باشد. به همین دلیل، چنین موردی به عنوان یک مؤلفه جذاب برای یکپارچه سازی گرافن با مقیاس ـ ویفر همراه با سوبستراهای CMOS با مقیاس ـ ویفر جهت تسهیل ساخت سیستم های الکترونیکی یکپارچه مقیاس بزرگ گرافن / SI می باشد.
اتصالات گرافن و نانو لوله کربنی الکترونیک CMOS
۴- نتایج خصوصیات
جهت مشاهده این موضوع که آیا کیفیت این مواد نانویی جدید به طور قابل توجهی دستخوش تنزل از طریق انجام فرآیندهای استاندارد ساخت CMOS می شود یا خیر، ما اقدام به اندازه گیری مقاومت صفحه ای گرافن قبل و بعد از فرآیند ساخت CMOS استاندارد نمودیم. شکل ۳ (الف) نشان دهنده میانگین مقاومت صفحه ای گرافن به میزان ۷۰۰ Ω/sq به طور میانگین می باشد، که معرف آن است که کیفیت گرافن به طور کلی در طی ساخت ابزار حفظ شده است. خصیصه های I–V گرافن ساخته شده و قابلیت اتصال میانی در شکل ۳ (الف) معرف آن می باشد که ما قابلیت حاصل آوردن یک اتصال اهمی بین گرافن و فلز را داریم. در عین حال، منحنی های I–V خطی نشان دهنده آن هستند که تماس بین گرافن و فلز به صورت اهمی می باشد. مقاومت تماسی در مقایسه با مقاومت اتصال میانی اندک است [به شکل ۳ (ب) رجوع شود]. محاسبه رسانش تئوریکی بر مبنای مدل رسانایی گرافن چند لایه ای در مرجع [۱۶] با استفاده از مسافت آزاد متوسط حاصل آمده از داده های مقاومت صفحه ای ما اعمال شده است. مقایسه برآورد تجربی در شکل ۳ (ج) نشان داده شده است. جهت نشان دادن قابلیت مسیریابی سیگنال پرسرعت اتصالات میانی گرافن، ما فرکانس های اسیلاتور حلقوی را مشخص نموده و آنها را بر حسب پیوند مفتولی تراشه CMOS تحت پسافرآوری انجام شده تقویت نمودیم و آن را در یک مدار چاپی برای تست الکتریکی فرکانس بالا بکار بردیم [شکل ۴ (الف)]. فرکانس نوسان گیگاهرتز برای اسیلاتورهای حلقوی با اتصالات میانی گرافن به میزان ۸۰ میکرومتر مشاهده شد، که مؤکد پتانسیل بالای گرافن برای اتصالات میانی VLSI آتی می باشد. فرکانس نوسان مدار اسیلاتور حلقوی به وسیله مجموع تأخیر RC مشخص می شود که اطلاعات آن در (۱) ارائه شده است (f به عنوان فرکانس نوسان مدار، R مقاومت کلی مدار تحت حاکمیت مقاومت اتصال میانی گرافن، Ctot مجموع ظرفیت خازنی مدار، ρs به عنوان مقاومت صفحه ای گرافن، L طول اتصال میانی، و W پهنای اتصال میانی می باشد)، که در توافق با نتایج حاصله تجربی نشان داده شده در شکل ۴ (ب) و (ج) هستند: فرکانس نوسان مدار دارای ارتباط مستقیمی با پهنای اتصال میانی می باشد و به صورت معکوس نیز در ارتباط با نسبت طول / پهنا است. بنابراین :
اتصالات گرافن و نانو لوله کربنی الکترونیک CMOS
۵- نتیجه گیری
به طور خلاصه، ما به صورت موفقیت آمیزی اقدام به نشان دادن اولین فرآیند یکپارچه سازی اتصالات میانی گرافن با فناوری CMOS استاندارد نموده ایم. فرکانس عملیاتی گیگاهرتز برای اتصالات میانی گرافن به درازای ۸۰ میکرومتر مشخص شده است. با استفاده از تکنیک سیگنالینگ کم نوسان، عملکرد تأخیر سیگنال سیمی یا مفتولی متعاقباً به میزان ۳۰% ارتقاء می یابد. با توجه به گزارشات اخیر در خصوص ویژگی های بزرگ مقیاس [۲۵] انتقال ـ آزاد [۲۶]، دمای پایین [۲۷] تکنیک های سنتز گرافن، اتصالات میانی گرافن آینده در فناوری VLSI خود سبب ارائه پیشرفت های فزاینده ای خواهد شد، با این حال پیشرفت در سنتز کنترل شده ورقه های پیوسته گرافن و درک محدودیت های عملکرد اتصال میانی گرافن همچنان به تحقیقات بیشتری نیاز خواهد داشت.
لطفا به جای کپی مقالات با خرید آنها به قیمتی بسیار متناسب مشخص شده ما را در ارانه هر چه بیشتر مقالات و مضامین ترجمه شده علمی و بهبود محتویات سایت ایران ترجمه یاری دهید.
