IBM矢志于2020年實現(xiàn)CNT電晶體

　　過去二十幾年來，IBM已經(jīng)為制作1.4nm的微型碳奈米管嘗試過幾乎每一種可能性了，期望能找到延續(xù)矽電晶體通道的方法。時至今日，最小的矽電晶體已經(jīng)達到原子極限了——例如，4nm矽電晶體通道約由20個原子組成。為了進展到下一個矽晶世代，除了各種缺陷和摻雜不均的問題以外，業(yè)界還面臨著矽電晶體尺寸進一步縮小的挑戰(zhàn)。如果IBM或其他廠商——事實上，中國現(xiàn)正主導碳奈米管的研究——能夠?qū)崿F(xiàn)最佳化的1.4nm電晶體通道，那么摩爾定律（Moore‘s law）就能再持續(xù)向前進展；否則的話，業(yè)界就得再發(fā)展出一種全新的模式。

　　奈米管電晶體專家IBM院士Phaedon Avouris最近從電漿與光子學方面找到了探索的新方向。奈米管研究團隊則由紐約Yorktown Heights華生研究實驗室的Wilfried Haensch帶領。Haensch正面臨著同樣一直困擾Avouris的問題——如何將這種不可思議的微小元件導入電晶體通道。在IBM分子組裝與元件部門總監(jiān)James Hannon的協(xié)助下，Haensch找到了幾種新方法。

　　源極和汲極覆蓋碳奈米管通道，并由相同的本地閘極控制。

　　其中一種的新想法是在一個電晶體通道中使用多個碳奈米管，而不是只依賴于單一碳奈米管來實現(xiàn)部份工作。在進行模擬作業(yè)時，研究人員們以8nm間距平行排列了6個1.4nm寬與30nm長的奈米管。兩端嵌入于碳奈米管的源極與汲極，并在堆疊底部留下懸浮于閘電極上的10nm通道。接下來的模擬作業(yè)將以化學方式標注基底與奈米管使其準確對齊，然后再蝕除化學材料完成最終晶片—— IBM Power7 。

　　Haensch認為："六管元件結構來自于塑造整個微處理器性能的最佳化過程，在此模擬作業(yè)中所實現(xiàn)的是IBM Power7晶片。最佳化器改變了元件的布局，包括布線以及預測系統(tǒng)的性能。"

　　由于國際半導體技術藍圖（ITRS）要求必須在2019年達到5nm節(jié)點，因此，IBM公司設定的目標是在2020年以前實現(xiàn)碳奈米管電晶體（CNT）。

　　IBM最近制作出具有多達10，000個 CNT 的電路。根據(jù)該設計的模擬作業(yè)預測，其性能可較矽晶更快5倍。

　　Haensch指出："該元件每通道可整合5-6個約1.4nm的 CNT 。直徑的選擇根據(jù)所需的能隙而定。為了實現(xiàn)超越矽晶的性能優(yōu)勢，元件必須做得更小。根據(jù)該模式顯示我們需要約8nm的奈米管間距（CNT-CNT的距離）。通道（或閘極）長度（Lg）約為10nm，源極（S）與汲極（D）觸點則約為10nm長。LBG是指本地底部閘極。即控制通道傳導的電極。我們已經(jīng)以不到10nm通道長度打造元件了，由于圖案形成方法的限制，很難達到10nm CNT 間距的要求，但我們所發(fā)布的結果則采用了200nm CNT 間距。我們還打造出具有2 、3、4、6個CNT的多 CNT 元件。正如預期的電流較大，但由于通道中多CNT的平均效應，使得元件的可變性降低。"

　　根據(jù)Haensch表示，目前還必須克服幾項障礙，才能符合2020年的最后期限，其中最重要的是分離金屬奈米管中的半導體，但這個問題從二十多年前起就一直無法解決。

　　Haensch說："成功實現(xiàn) CNT VLSI 技術的主要障礙在于碳奈米管的純度與位置控制。為了解決這兩項挑戰(zhàn)，IBM在以化學標記定義的晶圓預定位置上沈積高純度的碳奈米管。這種方式由于消除了金屬 CNT ，使得隨機特性明顯降低，更有利于控制整個晶圓上的CNT分布。"

　　IBM致力于達到2020年最后期限的目標，但也坦承必須克服所有的主要障礙，才能使計劃持續(xù)至2020年以后。屆時，其他如自旋電子學等目前還不夠成熟的技術，也可望超越碳奈米管的研究。