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重叠堆积的碳纳米管
电子信息,新材料
2016-12-29 19:17
原创  Rachel Courtland

斯坦福大学研究团队的碳纳米晶体管实现了创纪录的电流密度,并且可以合成3D电路。

2013年,一支来自斯坦福大学的研究团队报告指出,他们已经利用一种极其微小的、厚度相当于原子直径的圆柱体阵列制造出了一台全新的机器——世界上首台碳纳米管计算机。这台计算机的时钟速度只有1千赫,仅由不到200个晶体管组成,根本无法与当前的硅晶处理器相抗衡。

但是,现在硅和碳纳米管之间的差距正在逐渐缩小。2014年12月份,在于旧金山举行的IEEE国际电子设备会议上,这支研究团队通过两篇论文展示了他们制造的碳纳米晶体管,其电流密度和其他属性均能与尺寸相似的硅晶体管相媲美。研究生马克斯.舒拉克尔(Max Shulaker)亦在报告中指出,研究团队可以直接将碳纳米晶体管建造在硅晶电路之上。

与舒拉克尔的导师萨巴辛.米特拉(Subhasish Mitra)教授一起领导研究工作的黄汉森表示:“既然我们已经拥有了可以与传统硅晶相媲美的碳纳米管,我们便可以考虑使用它制造高性能的系统。”

与“碳家族”的成员二维石墨烯不同的是,碳纳米管可以作为一种天然的半导体,且长期以来都被视为一种高潜质材料,可以用来制造速度快且能源效率高的交换器。

然而,在实际操作中,制造拥有足够数量的碳纳米管以便承载一定量的电流的晶体管并非易事。生成碳纳米管时会产生一种金属和半导体形式的混合物,这种结果并不理想,同时,为了确保功率和性能方面的出众表现,每个晶体管中的碳纳米管数量必须保持完全统一。

在以前的工作中,斯坦福大学的研究团队解决了金属性纳米管的问题,他们设计出了可以将金属管蒸发掉、仅剩半导体纳米管的电路。现在,他们又改良了制造工艺,在保持均匀度不变的情况下提高了碳纳米管的密度。

在制造过程中,他们采用石英作为生成碳纳米管的原材料。首先在石英表面镀一层金,然后使用热胶带将其剥除,剥除的同时也带走了纳米管。随后,将这些纳米管转移到目标表层,然后再将热胶带拆除,并使用化学方法消除金层,仅在表面上留下一层平行的碳纳米管阵列。

按照与电流流经设备时相垂直的方向测量,一次转移操作中可以得到的纳米管数量为每微米8个左右。但是在最新的研究工作中,斯坦福团队证明,他们可以通过在下一次碳纳米管沉积之前涂一层胶状聚合物,将沉积操作程序重复十多次。聚合物可以防止碳纳米管在遇到刻蚀金层的液体时像意大利面一样乱糟糟地彼此粘合在一起。此外,聚合物还有助于形成一层光滑的平面,以沉积下一层纳米管。

借助这一方法,斯坦福团队才得以制造出平均密度为每微米100个碳纳米管的晶体管,从而实现了最高每微米122微安的电流密度。

然而,无论是碳纳米管密度还是电流密度,这种晶体管都没有达到当前可以实现的最高水平。2013年,位于纽约州约克城高地的IBM托马斯.J.沃森研究中心的一支研究团队报告指出,可以使用悬浮在油中的碳纳米管生成每微米五百多个碳纳米管,并达到类似的电流密度。

但是在IBM的实验中,还有一些金属碳纳米管混在其中,因此理论上晶体管停止工作之后仍能够导电。这一现象有可能导致晶体管的开关电流比率相对较低,据舒拉克尔估算,在最短的IBM晶体管中,最大开关电流比率约为600:1。而斯坦福团队可以实现的晶体管开关电流比率则为6000左右,这意味着,当晶体管停止工作时,仅有极少量的电流从设备漏出。(对于智能手机和计算机处理器中使用的CMOS设备而言,设计者们通常希望开关电流比率达到1万左右。)

重叠堆积的碳纳米管-02.jpg

为了证明其实验方法与硅晶的可兼容性,斯坦福团队采用多次转移法制造了一款“单片”3D集成电路。制造单片集成电路时要一次性地将由密集金属线连接的多个设备层一层层堆积在一片单独的硅基板上。

此外,斯坦福团队还用一层硅、两层电阻式存储器(RAM)以及一层碳纳米晶体管制作了一个纵横开关(可用于连接不同输入和输出端的电路)。在制作电路堆栈时,他们还做到了将温度控制在400摄氏度以下。当温度高于400摄氏度时,可能会对晶体管造成损害。

在佐治亚理工学院研究单片3D设计的林圣圭(Sung Kyu Lim)评论道:“这些人都是叠加技术的大师。”尽管法国原子能委员会下属的电子信息技术研究所(CEA-Leti)的研究人员已经成功地实现逻辑电路叠加,但林教授表示斯坦福团队展示的成果是他所见过的首款以单片形式进行的存储器和逻辑电路的叠加,他说:“他们第一次向人们展示了这种做法是可行的。”逻辑电路和存储器的结合可以大幅缩减将信息存入计算机所需要的时间和能量。

然而,林教授表示,距离碳纳米管集成电路的大规模投产还有很长的路要走。在斯坦福团队设计的碳纳米晶体管中,载流通道的长度为400纳米,该尺寸相当于最新型设备的10倍左右。“我们都希望设备能够越来越小,电路规模能越来越大。”林教授说。

黄汉森表示,他们下一步的打算的确是要设计出晶体管载流通道更短、速度更快的电路,而且这应该是可以实现的。IBM之前开展的工作表明,碳纳米晶体管的载流通道长度可以小于10纳米。但是黄汉森认为,在设计高性能的电路过程中,还有一些障碍是必须克服的。首先要解决的问题便是连接纳米管的金属接点,这些金属接点与其他设备中的接触件一样,尺寸越小,电阻便越大。但是,黄汉森仍抱有较高的期望:“拥有一种能够在实验室条件下与硅相抗衡的技术将是一件令人极度兴奋的事情。”


作者:Rachel Courtland


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