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纳米技术
芯片技术新突破:用碳纳米管取代硅
录入时间:2012/11/19 14:42:01

文章编译自:CNET IBM brings carbon nanotube-based computers a step closer

       作者: Stephen Shankland

拜伟大的摩尔定律所赐,几十年来微芯片技术一次又一次地突破了工艺极限,现在英特尔的第三代Core i系列处理器已经用上了22纳米工艺,英特尔还认为到2020年这个数字还可以缩小到5纳米。但是到那时,硅基芯片的物理极限就很可能成为不可逾越的障碍。因此,人们的唯一出路就是使用另一种技术来制造处理器。人们也一直在努力寻找能够替代当前硅芯片的物质,碳纳米管(CNT)就是主要的研究方向之一,而现在,IBM的研究人员现在已经将碳纳米管芯片技术向前推进了一大步。

       碳纳米管是一种非常小的管状六边形结构碳原子。IBM日前宣布,他们的一个八人研究团队已经找到一种能够准确地将它们放在电脑芯片上的方法。这种方法能比以前的方法排列的碳纳米管要密集100倍,是减少芯片制造成本最关键的一步,而且IBM已经制造出一块用1万个碳纳米管晶体管的芯片。

       一旦现在的硅晶体管技术发展到了尽头之后,这项新的技术有望帮助碳纳米管成为硅的替代品。现在的芯片是由一个个极小的电子开关,即晶体管组成的,而碳纳米管则会替代在这些晶体管里输送电流的硅通道。

IBM的技术可以在两个电触头之间排列单个或一对碳纳米管。碳纳米管连接两端的源极和漏极,是制造晶体管最基本的部分。

碳纳米管具有硅的半导体特性,而这种特性是它成为芯片晶体管的关键。当接通电流时它们有极好的传输电子的能力。但是芯片制造者必须找出一种可以大规模的非常精确地排列碳纳米管的方法,这样的电脑芯片才有可能走向实用阶段。

       IBM日前在《自然纳米技术》发布的研究报告称,结合化学方法,他们可以将单个的碳纳米管放置在他们想要放的特殊的沟道里。而且在构造碳纳米管场效应装置(CNTFET)时,能够达到每平方厘米10亿个纳米管的密度。

“这种能精确整齐地放置单个纳米管的能力使制造出大量单-CNT晶体管成为可能。”论文中的研究者提到,“使用这种放置方法,我们制造出了CNTFET阵列,并且在一个芯片上放置了一万多个碳纳米管。”

        整个制造过程需要用到多种技术。第一步是准备晶圆(wafer)。晶圆是生产集成电路用的载体,此过程与现在的传统微处理器所使用的相同。在其上表面涂有两层物质,第一层是二氧化铪,在这上面再涂一层特殊的二氧化硅,使得二氧化铪能够有一部分暴露在外面,这个部分就是要与碳纳米管结合的沟道。然后在二氧化铪上涂上一层非常薄的化学材料NMPI。

       下一步是准备碳纳米管。它们被包裹在一种类似肥皂的表面活性剂(十二烷基硫酸钠)里,将它们溶在水中,然后将晶圆浸入溶液中。

       表面活性剂和NMPI产生互相吸引的化学反应,使碳纳米管结合到二氧化铪的沟道里。IBM的这个方法可以用来整齐的将纳米管放入狭窄的沟道网格里。IBM还建造了一个与碳纳米管连接的分离装置,这样它们的性能就可以被测量出来了。

图中的黑线就是被置入进沟道的碳纳米管,可以看见不是每个纳米管的位置都很精准。放置的越准确,碳纳米管被用作电脑芯片的半导体器件的可能性越大。

虽然碳晶体管的前景非常光明,但是也只是计算领域“后硅时代”的候选者之一。其它的选择还有:与碳纳米管很相近的石墨烯;把硅换成其它元素如铟,砷和镓;硅光子,用光来代替电子来传送信息;自旋电子;另外还有一些更科幻的可能,比如DNA计算和量子计算。而IBM并没有保证这项技术将在商业上可行,但是他们的论文中已经对此表示了乐观的态度,更重要的是,这个过程可以与目前的芯片制造技术的发展相结合。

       “这种新的置入技术实施起来不难,只需要一些普通的化学材料和处理过程,而且为将来的CNTFET的实验性研究提供了一个平台。”论文中提到。“此外,这些结果显示,这种通过化学手段使其自组装的CNT置入方法,对于发展可行的CNT逻辑电路技术是很有希望的,并且可与现存的半导体制造技术相结合。”


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