原创 IBM成功将1万个碳纳米管集成在单芯片上

IBM的研究人员日前证实了一种全新的碳纳米技术，为商用化芯片制造铺平了道路。据表示研究人员将10,000个碳纳米管晶体管放置在一颗芯片上，朝未来取代硅芯片之路跨出了第一步。

许多人认为，总有一天，碳纳米管将全面取代硅芯片在半导体技术中的地位，进而持续微缩芯片尺寸。科学家们表示，碳纳米管拥有比硅芯片更具吸引力的电气性能，特别是它还可用于构建仅包含几十个原子的纳米级晶体管元件。

IBM的研究人员将超过10,000个碳纳米管晶体管放在单一芯片上，而且是使用标准半导体制造。根据IBM的说法，在此之前，科学家们就已经能够将数百个碳纳米管元件放在芯片上，但仍不够应付商业化的应用需求。

IBM表示，这种新方法将能在特定基板位置上放置大量碳纳米管晶体管，以制造商用化电路。最终，IBM还表示，未来的商用化芯片还将整合超过10亿个纳米管晶体管。

IBM研究员Hongsik Park观察晶圆上的10,000个碳纳米管。该晶圆是在IBM的商用化晶圆厂中进行测试。资料来源：IBM Research/Flickr link

“开发碳纳米管晶体管的动机，是因为它们的尺寸极小，远超越任何其他柀料所制成的晶体管，”IBM Research物理科学总监Supratik Guha表示。“但挑战也很大，像是必须解决诸如超高纯度的碳纳米管，以及如何在纳米级尺寸良好放置的问题。我们在两方面都取得了良好进展。”

全世界的科学家们都正通过碳纳米管探索跨越积体电路、能量储存和转换、生物医学感测和DNA定序等不同应用领域。

可靠性、毒性问题

然而，科学界也提出了有关碳纳米管的可靠性和潜在毒性问题。去年，美国国家标准与技术研究所(National Institute of Standards and Technology)在一份报告中指出，碳纳米管元件的可靠性将会是一个重要问题。由半导体研究组织(Semiconductor Research Corp.)在去年进行的一项研究则指出碳纳米管不具毒性的，但其他的研究则声称已发现毒性存在。

IBM承认，要让碳纳米管成为商业化技术仍充满挑战，包括设备的纯度以及如何准确放置这些微小元件在内。碳纳米管本身便混合了金属和半导体，而且必须被精确放置在晶圆表面上才能制造出电路。

在实际制造过程中，必须彻底清除纳米管的金属部份，以防止电路错误。针对未来的大规模整合，关键点则在于能否控制碳纳米管元件在基板上的取向和位置，IBM表示。

为了克服这些障碍，IBM的研究人员开发了一种以离子交换化学(ion-exchange chemistry)为基础的方法，能实现更精确，而且能控制碳纳米管在基板上以高密度整齐排列，让这些被放置的独立碳纳米管达到每平方公分10亿个的密度，IBM说。

在该制程中，研究人员将碳纳米管与表面活性剂(一种肥皂)加以混合。由两种氧化物组成、带有沟槽的基板，其组成主要是化学改质的氧化铪和氧化硅，它被浸入到碳纳米管溶液中，碳纳米管经由化学键附着到氧化铪区域，但其他他表面则维持净空。

将单原子薄片的碳卷起形成碳纳米管，这要比一根头发还小10,000倍，可用于开发芯片上的晶体管。 来源：IBM Research/Flickr link

业界普遍认为，硅晶体管已经逼近其物理限制了。许多人也都认为，基于硅的晶体管在未来不可能持续推动半导体的微缩。

而由单一原子碳薄片卷成的碳纳米管，可形成晶体管元件的核心，它能以和当前硅晶体管类似的方法运作，但性能更好。今年稍早，IBM的研究人员还展示了分子级尺寸──小于10nm的碳纳米管晶体管，已具备极佳的开关速度。

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