碳納米管由實(shí)驗(yàn)室走向工業(yè)場景

現(xiàn)代微處理器是世界上最復(fù)雜的系統(tǒng)之一，但其核心是一個(gè)非常簡單而優(yōu)美的器件——晶體管。微處理器中有數(shù)十億個(gè)近乎完全相同的晶體管。因此，提高晶體管的性能和密度是促使微處理器及受其驅(qū)動(dòng)的計(jì)算機(jī)更高效工作的最直接的方法。

硅晶體管尺度的不斷縮小推進(jìn)著電子技術(shù)的進(jìn)步。當(dāng)摩爾定律走到止境，硅晶體管縮小變得越來越困難。以半導(dǎo)體碳納米管為基礎(chǔ)的晶體管，作為先進(jìn)微電子器材中硅晶體管的替代品，與金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管(MOSFET)相似，它成為構(gòu)建下一代計(jì)算機(jī)的基本單元。當(dāng)然，盡管碳納米管場效應(yīng)晶體管(CNFET)比硅場效應(yīng)晶體管更節(jié)能，但它們現(xiàn)在仍大多存在于實(shí)驗(yàn)室傍邊。

現(xiàn)在，麻省理工學(xué)院Shulaker研討團(tuán)隊(duì)經(jīng)過對(duì)規(guī)范納米管堆積溶液工藝進(jìn)行優(yōu)化，將少數(shù)的納米管溶液堆積在晶圓上，明顯進(jìn)步了吞吐量，加快了堆積過程的速度超越1,100倍，一起降低了本錢。

這使他們可以在商業(yè)硅制作廠和大批量半導(dǎo)體代工中制作碳納米管場效應(yīng)晶體管。Max M. Shulaker是2013年第一臺(tái)碳納米管計(jì)算機(jī)研討成果第一作者;于2016年加入MIT擔(dān)任助理教授，繼續(xù)開展碳納米管相關(guān)的研討。 現(xiàn)在，將碳納米從實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)移到工業(yè)場景面對(duì)的中心應(yīng)戰(zhàn)在于：

一切用于制作碳納米管場效應(yīng)晶體管的資料和工藝有必要滿足硅基商業(yè)制作設(shè)備的嚴(yán)格的兼容性要求，更深層次的應(yīng)戰(zhàn)還在于，如何在工業(yè)規(guī)范基板尺度(200mm直徑的晶圓及以上)上均勻地堆積碳納米。 要完成這種碳納米堆積技術(shù)有必要滿足三個(gè)條件：

一是在確保規(guī)?；霎a(chǎn)的一起，最大極限地降低本錢;

二是要可以利用現(xiàn)有設(shè)備，不引入制止的化學(xué)污染物或微粒;

三是要完成比同等尺度硅基更強(qiáng)的功能。

在實(shí)驗(yàn)室中構(gòu)建CFNET的最有效的辦法之一是納米管堆積辦法，即將晶圓浸泡在納米管液中，直到納米管粘在晶圓外表。

碳納米管場效應(yīng)晶體管(CNFETs)的功能在很大程度上是由堆積工藝決定的，它影響著晶圓外表碳納米管的數(shù)量和方向。"它們 "要么以隨機(jī)的方向粘在晶圓上，要么全部排列在同一方向。 這種堆積辦法盡管對(duì)工業(yè)界來說很實(shí)用，但底子無法使納米管對(duì)齊。經(jīng)過對(duì)堆積過程的仔細(xì)觀察，研討人員發(fā)現(xiàn)干式循環(huán)，一種間歇性地干燥浸泡晶圓的辦法，可以將堆積時(shí)間從48小時(shí)大幅縮短到150秒。

經(jīng)過ACE辦法培養(yǎng)進(jìn)步碳納米管堆積的辦法。 于是，他們提出了ACE(經(jīng)過蒸騰人工濃縮)，將少數(shù)的納米管溶液堆積在晶圓上，而不是將晶圓浸泡在槽中。溶液的緩慢蒸騰增加了碳納米管的濃度和堆積在晶圓上的納米管的總體密度。

現(xiàn)在，研討人員與商業(yè)硅制作廠Analog Devices和半導(dǎo)體代工廠SkyWater Technology合作，運(yùn)用改進(jìn)后的辦法制作出了CNFET。他們可以運(yùn)用這兩家工廠制作硅基晶圓所運(yùn)用的相同設(shè)備，一起也確保了納米管溶液符合這兩家工廠對(duì)化學(xué)和污染物的嚴(yán)格要求。

值得注意的是，該研討產(chǎn)出的并非傳統(tǒng)意義上的計(jì)算機(jī)芯片，僅是制作工藝的演示，并且晶體管的柵極長度(即制程)為130nm，相當(dāng)于2001年代的芯片工藝。新工藝也只完成了45個(gè)納米管/微米，這仍然明顯低于之前研討人員預(yù)測的200個(gè)的最佳密度。 不過，研討人員還對(duì)納米管的密度與能效聯(lián)系進(jìn)行了剖析：即便在較低的密度下，節(jié)省的本錢也會(huì)很可觀。

即便納米管密度為25，也會(huì)帶來2.5倍的能效提升。盡管要將這一突破轉(zhuǎn)化為一個(gè)實(shí)用芯片技術(shù)還有很長的路要走，但它是朝著高功能納米管計(jì)算的未來邁出的重要一步，可能成為摩爾定律之后下一個(gè)最為重要的「兵器」。

晶體管的密度隨著每一個(gè)技術(shù)節(jié)點(diǎn)的增加而增加，納米管設(shè)計(jì)是在不斷的延伸摩爾定律，相信這種晶體管的性能會(huì)有無限潛力。