IBM今在《Science》发表全新突破！碳纳米管打造世界最小晶体管
随着计算机全面进入纳米时代，工程师们发现遵循摩尔定律越来越困难。
1965年，英特尔创始人戈登·摩尔提出“摩尔定律”，该定律指出，集成电路上可容纳的晶体管数量大约每1-2年就会增加一倍，性能也会增加一倍。
摩尔定律已经有效了五十多年，但目前业界预测是，未来10-15年，经过三次技术升级，芯片制造工艺将达到5纳米，这意味着单个晶体管栅极的长度将大小只有 10 个原子。 在此基础上构建几乎是不可能的——从技术上讲，你无法构建单个原子大小的晶体管。
图丨研究人员想象的单原子晶体管概念图
另外，因为生产成本的原因，厂商将不再愿意继续改进工艺技术，因为目前的芯片计算能力基本可以满足需求。 这种趋势实际上在模拟芯片市场上已经出现很长时间了，许多模拟芯片制造商仍在使用五年前的工艺来生产产品。
而且，对于移动设备中使用的WiFi芯片来说，28纳米工艺技术已经足够好了，不需要花费大量研发资金升级到10纳米CMOS（互补金属氧化物半导体）工艺。
正是因为上述原因，最近摩尔定律即将到期的说法越来越盛行。 硅基CMOS晶体管制造工艺已经使用了五十多年。 如果未来我们找不到可行的替代方案，我们可能真的会遇到算力瓶颈。
不过，幸运的是，科学界和工业界都预见到了瓶颈期的临近，并试图寻找各种方法让摩尔定律继续发挥作用。
这次，IBM的研究人员发现了一种新的芯片制造工艺，制造晶体管的材料不再是硅，而是碳纳米管！ 研究结果一公布，该杂志官网甚至发表文章称：IBM科学家基于碳纳米管打造出了世界上最小的晶体管。 “硅谷”最终会成为“碳谷”吗？
图丨“硅谷”最终会成为“碳谷”吗？
回到主题！ IBM的研究人员刚刚宣布了一种制造晶体管的新方法：用碳纳米管取代传统的硅基CMOS工艺。 题为《到40岁》的研究报告也发表在《上等》杂志上。
事实上，科学家们一直在不断探索碳纳米管晶体管——直径仅为1纳米，即十亿分之一米的管状纳米级石墨晶体。
然而，利用碳纳米管替代传统硅基晶体管的最大困难在于，要达到理想的性能，碳纳米管的截面直径必须达到100纳米左右，比目前的硅晶体管要大得多。
图丨碳纳米管
为了减少这个数字，IBM J. 研究中心的一组研究人员使用了一项新技术来构建碳纳米管触点，电流通过该触点流入和流出——使用钼金属直接连接碳纳米管的末端。 ，从而减小体积。
他们还添加了钴，以使连接在较低温度下有效。 原理很简单。 由于热胀冷缩，低温可以减小触点之间的间隙。
研究中还解决的一个重要问题是如何在触点之间传输足够的电流。 研究人员通过在相邻晶体管之间并联放置由多个碳纳米管组成的纳米线解决了这个问题。
最终，整个晶体管的引脚面积被压缩到40平方纳米。 这个数字成为近十年来“国际半导体技术发展路线图”（ITRS）的新基准。
而随后的测试表明，IBM研究团队开发的碳纳米管晶体管比目前的硅晶体管更快、更高效！
图丨ITRS是由全球五个主要半导体制造国家和地区相关协会资助成立的组织。 其最新研究报告指出，晶体管将在2021年开始停止缩小。图中蓝色曲线是对2013年的预测，红色曲线是对2015年的最新预测。
由于使用碳纳米管而不是硅作为晶体管之间的通道，因此能够将晶体管缩小到如此小的尺寸。 碳纳米管的厚度仅为1纳米。 这个厚度在静电场中具有显着的优势。 它可以将器件的栅极长度减小至10纳米，而不会引起短沟道效应对器件性能产生不利影响。
此外，纳米管的另一个好处是具有更快的电子传输速度，这对于提高器件性能无疑至关重要。
此外，晶体管小型化的另一个关键是“端点连接技术”的使用。 一般来说，晶体管中的金属部分沿着晶体管中的主要半导体材料纵向键合，导致键合部分非常长。 IBM展示的端点连接技术可以大大减少晶体管键合部分的长度：从300纳米减少到只有10纳米，而不会增加电阻。
图丨使用碳纳米管的器件模型
为了确保设备的可靠性，IBM研究人员还测试了碳纳米管中金属成分的热稳定性和碳反应性。 然后，您必须确保端点仍然可以在足够低的温度下连接以维持设备的几何形状。
然而，确保低温下的稳定连接也是一个问题。 经过反复测试，研究人员发现钴钼合金在粘结碳纳米管方面具有意想不到的优势：
一方面，钼保证了合金的热稳定性； 另一方面，钴在相对较低的温度下充当键合的催化剂。 结合两种金属的特性，避免了将金属与碳纳米管粘合所需的 650 摄氏度热量。
IBM此次在《》杂志上发表论文的共同作者、IBM沃森研究中心研究员、2016年麻省理工科技评论“35岁以下35岁创新者”（MIT TR35）获得者曹青表示： “利用低功函数金属实现纳米管的端部接触是非常困难的。但是，我们开发了一些工艺来有效地掺杂纳米管通道，因此即使在高功函数金属端部接触的情况下，也可以实现 n 通道 (n-) 器件的操作。”
图片| 曹青，IBM沃森研究中心研究员、MIT TR35获得者
尽管通过掺杂实现n沟道器件操作仍有许多需要改进的地方，但具有顶栅结构的器件确实具有意想不到的优势。 与底栅结构相比，目前硅晶体管采用的顶栅器件结构更容易实现器件之间复杂的连接，也能实现更高的器件集成密度。
因此，除了以钴钼合金触点终止的纳米管通道外，纳米管的顶部还覆盖有一层超薄的高介电氧化物层，用作具有金属顶栅的栅极介电层。
图丨单个碳纳米管晶体管结构图及显微照片
当然，作为一项全新的技术，曹庆也坦言，高性能纳米管逻辑晶体管要想真正成为商业技术，还存在一些工艺问题需要解决。
曹庆表示，现阶段的主要挑战是器件稳定性，但最终团队希望将数十亿个纳米管晶体管集成到功能电路中。 为了做到这一点，团队需要确保晶体管之间良好的一致性，以便它们都能在相同的电压下正常工作。
图丨传统硅基半导体逻辑门制造工艺及钝化步骤
虽然过去几年半导体纳米管的纯度有了显着提高，通电测试后已升至99.999%以上，但制造工艺需要更加稳定和标准化，以确保未来可靠的量产。 性别。