IBM努力于2020年实现碳纳米管晶体管
发布时间：2014-7-7 13:47
发布者：eechina
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过去二十几年来，IBM已经为制作1.4nm的微型碳纳米管尝试过几乎每一种可能性了，期望能找到延续硅晶体管通道的方法。时至今日，最小的硅晶体管已经达到原子极限了——例如，4nm硅晶体管通道约由20个原子组成。为了进展到下一个硅晶世代，除了各种缺陷和掺杂不均的问题以外，业界还面临着硅晶体管尺寸进一步缩小的挑战。如果IBM或其他厂商——事实上，中国现正主导碳纳米管的研究——能够实现优化的1.4nm晶体管通道，那么摩尔定律(Moore's law)就能再持续向前进展；否则的话，业界就得再发展出一种全新的模式。 纳米管晶体管专家IBM院士Phaedon Avouris最近从电浆与光子学方面找到了探索的新方向。纳米管研究团队则由纽约Yorktown Heights华生研究实验室的Wilfried Haensch带领。Haensch正面临着同样一直困扰Avouris的问题——如何将这种不可思议的微小组件导入晶体管信道。在IBM分子组装与组件部门总监James Hannon的协助下，Haensch找到了几种新方法。 
源极和汲极覆盖碳纳米管通道，并由相同的本地闸极控制。（来源：IBM） 其中一种的新想法是在一个晶体管通道中使用多个碳纳米管，而不是只依赖于单一碳纳米管来实现部份工作。在进行仿真作业时，研究人员们以8nm间距平行排列了6个1.4nm宽与30nm长的纳米管。两端嵌入于碳纳米管的源极与汲极，并在堆栈底部留下悬浮于闸电极上的10nm通道。接下来的仿真作业将以化学方式标注基底与纳米管使其准确对齐，然后再蚀除化学材料完成最终芯片—— IBM Power7 。 Haensch认为：「六管组件结构来自于塑造整个微处理器性能的优化过程，在此仿真作业中所实现的是IBM Power7芯片。优化器改变了组件的布局，包括布线以及预测系统的性能。」 由于国际半导体技术蓝图(ITRS)要求必须在2019年达到5nm节点，因此，IBM公司设定的目标是在2020年以前实现碳纳米管晶体管(CNT)。 IBM最近制作出具有多达10,000个 CNT 的电路。根据该设计的仿真作业预测，其性能可较硅晶更快5倍。 Haensch指出：「该组件每信道可整合5-6个约1.4nm的 CNT 。直径的选择根据所需的能隙而定。为了实现超越硅晶的性能优势，组件必须做得更小。根据该模式显示我们需要约8nm的纳米管间距(CNT-CNT的距离)。通道(或门极)长度(Lg)约为10nm，源极(S)与汲极(D)触点则约为10nm长。LBG是指本地底部闸极。即控制通道传导的电极。我们已经以不到10nm信道长度打造组件了，由于图案形成方法的限制，很难达到10nm CNT 间距的要求，但我们所发布的结果则采用了200nm CNT 间距。我们还打造出具有2 、3、4、6个CNT的多 CNT 组件。正如预期的电流较大，但由于信道中多CNT的平均效应，使得组件的可变性降低。」 根据Haensch表示，目前还必须克服几项障碍，才能符合2020年的最后期限，其中最重要的是分离金属纳米管中的半导体，但这个问题从二十多年前起就一直无法解决。 Haensch说：「成功实现 CNT VLSI 技术的主要障碍在于碳纳米管的纯度与位置控制。为了解决这两项挑战，IBM在以化学标记定义的晶圆预定位置上沈积高纯度的碳纳米管。这种方式由于消除了金属 CNT ，使得随机特性明显降低，更有利于控制整个晶圆上的CNT分布。」 IBM致力于达到2020年最后期限的目标，但也坦承必须克服所有的主要障碍，才能使计划持续至2020年以后。届时，其他如自旋电子学等目前还不够成熟的技术，也可望超越碳纳米管的研究。 |
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