碳纳米管晶体管实现了从实验室到工厂的飞跃

碳纳米管晶体管离商业现实更近了一步，现在麻省理工学院的研究人员已经证明，这些设备可以在商业设施中快速制造，用同样的设备制造硅基晶体管，而硅基晶体管是当今计算产业的支柱。

碳纳米管场效应晶体管(cnfet)比硅场效应晶体管更节能，可用于构建新型三维微处理器。但到目前为止，它们大多存在于“手工”空间，在学术实验室里少量制作。

然而，在《自然电子》杂志6月1日发表的一项研究中，科学家们展示了如何在200毫米晶圆片上大量制造cnfet，这是计算机芯片设计的行业标准。cnfet是在美国的一家商用硅制造工厂和一家半导体铸造厂制造的。

在分析沉积技术用于制造CNFETs,马克斯Shulaker,麻省理工学院的电气工程和计算机科学助理教授,和他的同事做了一些改变加速1100倍的制造工艺与传统的方法相比,同时也降低了生产成本。该技术采用分布在多个晶片上的14400×14400的cfnet阵列，在晶片上沿边缘沉积碳纳米管。

舒拉克博士从博士时代就开始设计cnfet，他说新的研究代表着“一个巨大的进步，向生产级设施的飞跃”。

弥合实验室和工业之间的差距是研究人员“通常没有机会做的事情，”他补充道。“但这是对新兴技术的重要检验。”

参与这项研究的其他麻省理工学院研究人员包括主要作者明迪D.毕晓普，哈佛-麻省理工学院健康科学与技术项目的博士生，以及盖奇山、Tathagata Srimani和Christian Lau。

解决意大利面问题

几十年来，硅晶体管制造技术的进步降低了价格，提高了计算的能源效率。然而，随着集成电路中晶体管数量的增加，似乎并没有以历史速度提高能源效率，这一趋势可能正接近尾声。

cnfet是一种很有吸引力的替代技术，因为它比硅基晶体管“节能约一个数量级”，舒拉克说。

与硅基晶体管在450到500摄氏度的温度下制造不同，cnfet也可以在接近室温的温度下制造。Shulaker解释说:“这意味着你可以在之前制作的电路层的基础上，建造多层电路，从而创造出一个三维的芯片。”“用硅基技术做不到这一点，因为你会融化下面的层。”

他表示，一种可能结合逻辑和记忆功能的3D电脑芯片，预计将“在性能上超越由硅制成的最先进的2D芯片”。

在实验室中建立CFNETs最有效的方法之一是一种被称为孵育的方法，将晶圆片浸入一池纳米管中，直到纳米管粘附在晶圆片表面。

Bishop说，CNFET的性能在很大程度上取决于沉积过程，沉积过程影响晶圆片表面碳纳米管的数量和方向。它们“要么像煮熟的意大利面那样随机地粘在晶圆片上，要么像包装中未煮熟的意大利面一样沿同一方向排列，”她说。

在CNFET中对纳米管进行完美的对准可以获得理想的性能，但对准很难。Bishop解释说:“在一个200毫米的大晶圆片上放置数十亿个1纳米直径的纳米管是非常困难的。”“把这些长度尺度放到背景中，就像试图用完全定向的干意大利面覆盖整个新罕布什尔州一样。”

虽然这种培养方法在工业上很实用，但它根本不会使纳米管对齐。毕晓普说，他们最终在晶圆片上更像煮熟的意大利面，研究人员最初并不认为这会带来足够高的CNFET性能。然而，在他们的实验之后，她和她的同事得出结论，简单的孵育过程可以生产出性能优于硅基晶体管的CNFET。

在烧杯的另一边

对孵化过程的仔细观察向研究人员展示了如何改变这一过程，使其更适于工业生产。例如，他们发现干燥循环，一种间歇干燥硅片的方法，可以显著减少培养时间——从48小时到150秒。

另一种新方法叫做ACE(通过蒸发人工浓缩)，它是在晶圆片上沉积少量的纳米管溶液，而不是将晶圆片浸入池中。溶液的缓慢蒸发增加了碳纳米管的浓度和沉积在晶圆片上的碳纳米管的总密度。

Bishop说:“在工业规模试验之前，这些改变是必要的。在我们的实验室里，将晶圆片放在烧杯里放置一周是没问题的，但对于一家公司来说，他们就没有那么奢侈了。”

她说，帮助他们理解和改进孵化方法的“优雅而简单的测试”，“证明了在解决问题方面的重要性，这些问题也许是学术界没有的，但工业界肯定有，当他们考虑建立一个新的过程时。”

研究人员与模拟设备公司(一家商业硅制造工厂)和SkyWater技术公司(一家半导体铸造厂)合作，用改进的方法制造了cnfet。他们能够使用这两家工厂用于生产硅基晶片的相同设备，同时还能确保纳米管溶液满足工厂严格的化学和污染物要求。

毕晓普表示:“我们非常幸运地与我们的行业合作伙伴密切合作，了解他们的需求，并利用他们的输入重复我们的开发。”他指出，合作伙伴关系帮助他们开发了自动化、高产量和低成本的流程。

舒拉克补充说，这两个设施显示出“对研究和开发以及探索新兴技术前沿的认真承诺”。

“我们很高兴继续我们的工作，建设关键的基础设施，使CNFETs的商业市场可用性。”这一努力是将尖端先进计算的制造带回美国的关键举措SkyWater的总裁托马斯·桑德曼(Thomas Sonderman)说。

他说，下一步已经在进行中，将是在工业环境中使用cnfet构建不同类型的集成电路，并探索3D芯片可以提供的一些新功能。“下一个目标是让它从学术意义上的有趣转变为人们可以使用的东西，我认为这是朝着这个方向迈出的非常重要的一步。”