IBM成功研制：用碳納米管取代傳統(tǒng)芯片中的硅

藍(lán)色巨人IBM的科學(xué)家們?cè)俅握故玖怂麄冃酆竦目蒲袑?shí)力：歷史上第一次，使用標(biāo)準(zhǔn)的主流半導(dǎo)體工藝，將一萬多個(gè)碳納米管打造的晶體管精確地放置在了一顆芯片內(nèi)，并通過了可行性測試。

多年來，人們一直期望找到一種新的材料，可以替代傳統(tǒng)芯片中的硅，從而更深入地推進(jìn)半導(dǎo)體制造工藝，獲得更小、更快、更強(qiáng)的計(jì)算機(jī)芯片，IBM則邁出了用碳納米管在此領(lǐng)域投入商業(yè)化應(yīng)用的第一步。

作為一種半導(dǎo)體材料，碳納米管有著很多優(yōu)于硅的天然屬性，特別適合在幾千個(gè)原子的尺度上建造納米級(jí)晶體管，其中的電子也可以比硅晶體管更輕松地轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)更快速的數(shù)據(jù)傳輸，納米管的形狀也是在原子尺度上組成晶體管的上佳之選。

IBM的成果證明了，人們可以在預(yù)定的基底位置上用大量的碳納米管晶體管蝕刻集成電路，其中隔離半導(dǎo)體納米管、在晶圓上放置高密度碳材料設(shè)備尤為關(guān)鍵，因?yàn)樽罱K商業(yè)性芯片是需要集成數(shù)以幾十億晶體管的。

在此之前，科學(xué)家們只能同時(shí)放置最多幾百個(gè)碳納米管，遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法投入商業(yè)化。IBM則利用離子交換化學(xué)理論研究出了一種全新的方法，能夠精確、可控地在基底上按順序放置大量的碳納米管，密度達(dá)到了每平方厘米大約十億個(gè)，比之前的成果提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

IBM首先給碳納米管涂上一種表面活性劑(想象成使之更易溶于水的“肥皂”)，然后用化學(xué)處理過的氧化鉿(HfO2)和二氧化硅(SiO2)制作基底，其中溝槽部分使用氧化鉿，再將基底放到碳納米管溶液里，納米管就會(huì)通過化學(xué)鍵附著到氧化鉿溝槽里，而基底的其他部分仍然是“干凈”的，最終得以在單個(gè)芯片上制造上萬個(gè)晶體管。

由于這種方法兼容標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體制造工藝，大規(guī)模拓展和測試也更加簡單。

當(dāng)然了，這仍然是萬里長征的第一步，碳納米管究竟何時(shí)能夠取代硅，只能慢慢期待了。

碳納米管基底的掃描電子顯微鏡圖像(白色尺度條的長度為2微米)

碳納米管陣列顯微圖像：橫向間距200納米，縱向間距500納米，密度每平方厘米1億個(gè)(白色尺度條400納米)

碳納米管場效應(yīng)晶體管(CNTFET)陣列顯微圖像：碳納米管間距300納米

碳納米管結(jié)構(gòu)示意圖：單個(gè)原子層卷起形成，相當(dāng)于人類頭發(fā)寬度的千分之一

給碳納米管涂上表面活性劑，使之溶于水

氧化鉿和二氧化硅組成的基底：溝槽中的“立柱”是起連接作用的化學(xué)鍵

基底浸入碳納米管溶液，通過化學(xué)鍵結(jié)合

碳納米管陣列形成

以后的晶圓可能就是這個(gè)樣子了

IBM的研究員Hongsik Park (應(yīng)該是韓國人或者韓裔)

在化學(xué)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)觀察對(duì)比不同的碳納米管溶液

碳納米管溶液

過濾碳納米管溶液

以商用半導(dǎo)體工藝測試碳納米管晶體管

以商用半導(dǎo)體工藝測試碳納米管晶體管