碳纳米管及石墨烯在纳米集成电路互连线中的相关研究

摘要

近年来，随着电子信息技术和纳米电子技术的飞速发展，集成电路的特征尺寸也由原来的亚微米尺度缩小到了纳米尺度，这意味着进入了纳米集成电路时代。在现代高速大规模集成纳米电路中，由于互连线已缩小到纳米尺寸，金属电阻率将剧烈增加，将会出现电子迁移、热稳定性下降以及整个系统可靠性下降等严重的问题，因此互连线的电特性和热特性分析将成为新一代纳米集成电路中的关键技术之一。
　　 随着碳纳米管和石墨烯的发现，由于其在片上互连和通孔等方面具有优异的特性，慢慢在集成电路中扮演越来越重要的角色。因此，本论文重点对碳纳米管和石墨烯在未来纳米集成电路中的应用进行了研究。本文首先介绍了纳米电子学的研究背景，接着介绍了目前碳纳米管和石墨烯的国内外研究现状，然后讨论了它们的结构，进一步研究了其在电、热等方面作为互连线和通孔所具备的一些特性。
　　 本论文的主要研究工作和创新点可归纳为:
　　 1.对单壁碳纳米管互连线的等效电路模型进行建模分析，主要对电阻、电容和电感三个主要的分布电路参数进行了分析。
　　 2.研究了单壁碳纳米管束互连线等效的传输线电路模型，通过单壁碳纳米管束互连线的传输函数，分析了单壁碳纳米管束互连线的绝对稳定性和信号传输特性。接着，提出了单壁碳纳米管束互连线的分布RLC电路模型，研究了单壁碳纳米管束互连线上输出信号的传输时延特性以及两根单壁碳纳米管束互连线之间的耦合串扰效应进行了研究。
　　 3.研究了多壁碳纳米管束作为集成电路通孔材料时的电热耦合特性，给出了多壁碳纳米管束通孔的等效集总参数的电路模型。本文对多壁碳纳米管束通孔的等效电路参数随着温度和频率的变化的关系进行了详细的研究。另一方面，本文还研究了硅衬底掺杂浓度对其性能的影响。另外，本文还介绍了多壁碳纳米管束过孔阵列的等效电路模型，并且考虑了相邻多壁碳纳米管束过孔之间的耦合作用。
　　 4.研究了多层石墨烯互连线的信号传输特性，给出了多层石墨烯互连线的等效单导体电路模型，并且考虑了相邻层之间的耦合作用，然后研究了多层石墨烯互连线的等效传输线电路模型。基于这个模型，研究了多层石墨烯互连线的幅频特性，分析了多层石墨烯互连线的结构参数和费米能级等因素对信号传输的影响，讨论了多层石墨烯互连线上传输信号的时延特性。另一方面，本文还研究了在矩形波输入信号作用下两根耦合的多层石墨烯互连线之间的串扰效应。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 纳米电子学的研究背景

1．2 纳米电子学的研究意义

1．2．1 碳纳米管的研究意义

1．2．2 石墨烯的研究意义

1．3 国内外研究现状

1．3．1 碳纳米管的国内外研究现状

1．3．2 石墨烯的国内外研究现状

1．4 本论文的研究内容与创新之处

2 碳纳米管概述

2．1 碳纳米管简介

2．1．1 碳纳米管和石墨烯的发现

2．1．2 碳纳米管的制备

2．1．3 石墨烯的制备

2．2 碳纳米管和石墨烯的结构

2．3 碳纳米管和石墨烯的能带

2．4 碳纳米管的热性能和其他优异性质

2．5 本章小结

3 碳纳米管互连线的等效电路提取

3．1 引言

3．2 单根单壁碳纳米管的电阻模型

3．3 单根单壁碳纳米管的电容模型

3．3．1 单根单壁碳纳米管的静电电容模型

3．3．2 单根单壁碳纳米管的量子电容模型

3．4 单根单壁碳纳米管的电感模型

3．4．1 单根单壁碳纳米管的磁性电感

3．4．2 单根单壁碳纳来管的动态电感

3．5 单根单壁碳纳米管束互连线建模

3．5．1 单壁碳纳米管束电阻模型

3．5．2 单壁碳纳米管束电容模型

3．5．3 单壁碳纳米管束电感模型

3．6 单壁碳纳米管束互连线的等效电路模型

3．7 本章小结

4 单壁碳纳米管束互连线的传输函数及信号响应

4．1 引言

4．2 单壁碳纳米管束互连线的传输函数

4．3 单根单壁碳纳米管束上的信号传输特性

4．4 两根耦合单壁碳纳米管束互连线的串扰效应

4．5 本章小结

5 多壁碳纳米管束过孔互连线的电热耦合特性研究

5．1 引言

5．2 单根多壁碳纳米管的电路模型

5．3 一对多壁碳纳米管束过孔的电路模型

5．4 一对多壁碳纳米管束过孔互连的等效传输线模型

5．5 多壁碳纳米管束过孔阵列的电路模型

5．6 本章小结

6 多层石墨烯互连线的信号传输研究

6．1 引言

6．2 多层石墨烯互连线的电路模型

6．3 多层石墨烯互连线的单导体等效电路参数RLC分析

6．4 单根多层石墨烯互连线的传输函数

6．5 多层石墨烯互连线的信号传输分析

6．6 两根耦合多层石墨烯互连线的串扰效应

6．7 本章小结

7 总结与展望

7．1 本论文工作内容的总结

7．2 未来工作的展望

参考文献

作者简历