Написано AZoNano

Транзисторы с углеродными нанотрубками стали на шаг ближе к коммерческой реальности, теперь, когда исследователи из Массачусетского технологического института продемонстрировали, что устройства можно быстро создавать на коммерческих объектах, используя то же оборудование, которое используется для изготовления кремниевых транзисторов, которые являются основой современной компьютерной индустрии.

Полевые транзисторы с углеродными нанотрубками или CNFET более энергоэффективны, чем кремниевые полевые транзисторы, и их можно использовать для создания новых типов трехмерных микропроцессоров. Но до сих пор они существовали в основном в «кустарном» пространстве, изготовленном в небольших количествах в академических лабораториях.

В исследовании, опубликованном 1 июня в Nature Electronics однако, ученые показывают, как CNFET могут быть изготовлены в больших количествах на 200-миллиметровых пластинах, которые являются отраслевым стандартом в разработке компьютерных чипов. CNFET были созданы в коммерческом заводе по производству кремния и в производстве полупроводников в Соединенных Штатах.

После анализа техники осаждения, используемой для изготовления CNFET, Макс Шулакер, доцент MIT, профессор электротехники и информатики, и его коллеги внесли некоторые изменения, чтобы ускорить процесс изготовления более чем в 1100 раз по сравнению с обычным методом. , одновременно снижая себестоимость продукции. Техника наносила углеродные нанотрубки от края до края на пластины, с 14 400 на 14 400 массивов CFNET, распределенных по нескольким пластинам.

Шулакер, который занимается разработкой CNFET со времени его докторской диссертации, говорит, что новое исследование представляет «гигантский шаг вперед, чтобы сделать этот скачок в объекты производственного уровня».

Исследователи "не часто получают шанс" преодолеть разрыв между лабораторией и промышленностью "добавляет он. «Но это важный лакмусовый тест для новых технологий».

Среди других исследователей Массачусетского технологического института – ведущий автор Минди Д. Бишоп, аспирант программы Гарвард-Массачусетс, США, а также Гейдж Хиллз, Татхагата Шримани и Кристиан Лау.

Решение проблемы со спагетти

В течение десятилетий усовершенствования в производстве кремниевых транзисторов снижали цены и повышали энергоэффективность вычислений. Однако эта тенденция может приближаться к концу, так как увеличивающееся количество транзисторов, упакованных в интегральные схемы, по-видимому, не увеличивает энергоэффективность при исторических темпах.

CNFET являются привлекательной альтернативной технологией, потому что они «примерно на порядок более энергоэффективны», чем кремниевые транзисторы, говорит Шулакер.

В отличие от кремниевых транзисторов, которые изготавливаются при температуре около 450-500 градусов Цельсия, CNFET также могут быть изготовлены при температурах, близких к комнатной. «Это означает, что вы можете фактически построить слои схем прямо поверх ранее изготовленных слоев схем, чтобы создать трехмерный чип, », объясняет Шулакер. «Вы не можете сделать это с технологией на основе кремния, потому что вы бы расплавили слои под ними».

3D компьютерный чип, который может объединять функции логики и памяти, по прогнозам «на порядок превосходит производительность современного 2D чипа, изготовленного из кремния» . говорит.

Одним из наиболее эффективных способов создания CFNET в лаборатории является метод депонирования нанотрубок, называемый инкубацией, когда пластина погружается в ванну с нанотрубками до тех пор, пока нанотрубки не прилипают к поверхности пластины.

Эффективность CNFET в значительной степени определяется процессом осаждения, говорит Бишоп, который влияет как на количество углеродных нанотрубок на поверхности пластины, так и на их ориентацию. Они «либо застряли на пластине в произвольной ориентации, как приготовленные спагетти, либо все выровнены в одном направлении, как сырые спагетти, все еще находящиеся в упаковке», – говорит она .

Идеальное выравнивание нанотрубок в CNFET приводит к идеальным рабочим характеристикам, но их трудно получить. «Действительно трудно сложить миллиарды крошечных нанотрубок диаметром 1 нанометр в идеальной ориентации через большую 200-миллиметровую пластину», – объясняет Бишоп . «Чтобы поместить эти масштабы длины в контекст, это все равно что пытаться охватить весь штат Нью-Гэмпшир в идеально ориентированных сухих спагетти».

Инкубационный метод, хотя и практичный для промышленности, совсем не выравнивает нанотрубки. По словам Бишопа, они в конечном итоге делают вафли более похожими на приготовленные спагетти, которые исследователи изначально не думали, что они обеспечат достаточно высокую производительность CNFET. Однако после своих экспериментов она и ее коллеги пришли к выводу, что простой процесс инкубации будет работать для производства CNFET, который может превзойти кремниевый транзистор.

CNFET за мензуркой

Тщательные наблюдения за процессом инкубации показали исследователям, как изменить процесс, чтобы сделать его более жизнеспособным для промышленного производства. Например, они обнаружили, что сухой цикл, метод прерывистой сушки погруженной пластины, может значительно сократить время инкубации – с 48 часов до 150 секунд.

Другой новый метод, названный ACE (искусственное концентрирование посредством испарения), наносил небольшое количество раствора нанотрубок на пластину вместо погружения пластины в резервуар. Медленное испарение раствора увеличивало концентрацию углеродных нанотрубок и общую плотность нанотрубок, нанесенных на пластину.

Эти изменения были необходимы, прежде чем процесс мог быть опробован в промышленных масштабах, говорит Бишоп: «В нашей лаборатории мы можем позволить вафле сидеть в течение недели в стакане, но для компании, у них нет такой роскоши. "

«элегантно простые тесты» которые помогли им понять и улучшить метод инкубации, говорит она, «оказались действительно важными для решения проблем, которые, возможно, не имеют ученые, но, безусловно, промышленность имеет, когда они смотрят на настройку нового процесса. "

Исследователи работали с Analog Devices, коммерческим производством кремния, и SkyWater Technology, полупроводниковым литейным цехом, для изготовления CNFET с использованием усовершенствованного метода. Они смогли использовать то же оборудование, что и два предприятия, для изготовления пластин на основе кремния, а также обеспечить соответствие нанотрубок строгим химическим и загрязняющим требованиям, предъявляемым к объектам.

«Нам очень повезло, что мы тесно сотрудничали с нашими коллегами по отрасли, узнали об их требованиях и повторили нашу разработку с их вкладом», говорит Бишоп, который отметил, что партнерство помогло им разработать автоматизированную объемный и недорогой процесс.

Эти два предприятия продемонстрировали «серьезную приверженность исследованиям и разработкам и исследованию новейших технологий», добавляет Шулакер.

Следующие шаги, которые уже предпринимаются, будут заключаться в создании различных типов интегральных микросхем из CNFET в промышленных условиях и изучении некоторых новых функций, которые может предложить 3D-чип, говорит он. «Следующая цель – перейти от академического интереса к чему-то, что будет использоваться людьми, и я думаю, что это очень важный шаг в этом направлении».

Автор Бекки Хэм, корреспондент MIT News

Источник: http://www.mit.edu/