根據(jù)摩爾定律，單一芯片上晶體管數(shù)量一直在翻倍增長著，但隨著工藝的不斷提升（現(xiàn)在可達(dá)32納米），人們?nèi)找鎿?dān)心摩爾定律的失效，并期望能找到新材料，以延續(xù)摩爾定律。碳納米管是其中主要的研究方向之一，而近期IBM的研究成果給業(yè)界吃了顆定心丸。

集成超萬個(gè)碳納米管

許多人都認(rèn)為未來在半導(dǎo)體技術(shù)中碳納米管將取代硅芯片，以進(jìn)一步縮小芯片的尺寸。科學(xué)家也表示，碳納米管擁有比硅芯片更好的導(dǎo)電性能，特別是它還可以用來構(gòu)建僅含幾十個(gè)原子的納米級(jí)晶體管器件。

目前，IBM研究人員已經(jīng)成功將超過1萬個(gè)由碳納米管打造的晶體管精確放置在單一芯片上，而且采用的是標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體制造工藝。而在此之前，據(jù)IBM稱，科學(xué)家就已經(jīng)能夠?qū)?shù)百個(gè)碳納米晶體管放在一塊芯片上，但仍不能滿足商業(yè)化的應(yīng)用需求。

IBM表示，這種新方法能在特定基板位置上放置大量碳納米晶體管，其中隔離半導(dǎo)體納米管、在晶圓上放置高密度碳材料設(shè)備尤為關(guān)鍵，因?yàn)樽罱K商業(yè)性芯片是需要集成超過10億個(gè)晶體管的。

“開發(fā)碳納米晶體管的動(dòng)機(jī)是因?yàn)樗鼈兂叽鐦O小，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他任何材料所制成的晶體管。”IBM Research物理科學(xué)家總監(jiān)Supratik Guha表示，“但挑戰(zhàn)也很大，例如必須解決諸如超高純度的碳納米管問題，以及如何在納米級(jí)尺寸下做到精確放置。我們?cè)谶@兩方面進(jìn)展都不錯(cuò)。”

可靠性、有毒性擔(dān)憂

一方面，全世界科學(xué)家都正借由碳納米管探索集成電路、能量存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換、生物感知、DNA定序等不同領(lǐng)域。另一方面，科學(xué)界也提出了有關(guān)碳納米管的可靠性和潛在毒性等問題。

去年，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所(National Institute of Standards and Technology)在一份報(bào)告中指出，碳納米管元件的可靠性將會(huì)是一個(gè)重要的問題。而由半導(dǎo)體研究組織(Semiconductor Research Corp.)去年進(jìn)行得一項(xiàng)研究表明碳納米管并不具有毒性，但其他眾多研究均證實(shí)毒性存在。

IBM方面也表示，將碳納米管技術(shù)商業(yè)化仍充滿挑戰(zhàn)，包括純度以及如何精確放置等。碳納米管本身混合了金融和半導(dǎo)體，而且必須被準(zhǔn)確放置在晶圓表面上，才能構(gòu)建出電路。而在實(shí)際制造過程中，“必須徹底清除掉納米管的金屬部分，以防止電路發(fā)生錯(cuò)誤”，IBM表示。同時(shí)其還指出，對(duì)于未來大規(guī)模碳納米管的整合，其關(guān)鍵在于能否控制碳納米管元件在基板上的取向和位置。

為了克服上述難題，IBM研究人員開發(fā)了一種以離子交換化學(xué)（ion-exchange chemistry）為基礎(chǔ)的方法，能夠?qū)崿F(xiàn)更精確的放置，而且能控制碳納米管以高密度整齊排列，使被放置的獨(dú)立碳納米管能達(dá)到每平方厘米10億個(gè)的密度。

在該制造過程中，研究人員需要將碳納米管涂上表面活性劑，由化學(xué)處理過的二氧化鉿、二氧化硅制作帶有溝槽的基板，然后將基板侵入到碳納米管溶液中，碳納米管經(jīng)由化學(xué)鍵附著到二氧化鉿區(qū)域，但基板其他部分仍保持“干凈”。

目前業(yè)界已普遍認(rèn)為硅晶體管制造已逼近物理極限，而且多數(shù)人也認(rèn)為基于硅的電子芯片在未來難以維持摩爾定律，而由單一原子碳薄片所構(gòu)成的碳納米管可形成電子元器件的核心，并且性能更好。（原文摘自EETime 《IBM claims carbon nanotube IC breakthrough》。）