半导体新制程: 奈米碳管 (CNTs)

在持续不断微小化的电子系统里, 能源效率是目前面临的最大挑战, 而微小化就是主要推动半导体产业的驱动力. “当我们接近摩尔定律（Moore’s Law）的极限, 矽制程在追求微小化的未来终究是要被取代 ”Jeffrey Bokor提到。他目前是劳伦斯伯克利国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory）分子铸造科学的副主任，及加州大学柏克莱分校教授。

目前为止, 奈米碳管（CNTs）所采用的重要技术是以传统的矽制程出发, 并且很有机会来解决能源效率的挑战. 奈米碳管是以碳圆柱体奈米为架构, 具有特殊的电学,热学及力学特性. 奈米管电路相较矽制程电路,能大大的提高10倍能源效率.

早期的期许:

在1998年发表第一个简陋的奈米电晶体, 研究人员便梦想着将会有一个新时代来临, 一个具有高效能又超强运算能力的电子世界. 但奈米管 (nanotubes)的材质特性并不完美, 这使得工程师们不禁怀疑奈米碳管是否能实现这一梦想.

在过去的几年中,由 Subhasish Mitra教授和H.-S. Philip Wong带领由史丹佛工程教授, 博士生, 硕士生, 高中实习生组成的工程团队，克服了挑战，利用奈米碳管技术设计出最先进的运算电路和存储元件并且有许多电路设计上的突破,.

研究人员花了十多年都无法解决顽劣脆弱的材料问题, 这些困难障碍也严重阻碍了奈米管电路在电子工业中被广泛采用. 现在, 这些高品质,强韧的奈米管电路已不受材料缺陷影响. 这对超大型积体电路 (VLSI)使用奈米管技术是很重要的里程碑.

“在十多年前，研究界首次惊叹碳奈米管特殊的电学,热学和力学特性. 而史丹佛大学最近第一次发表可用碳奈米管完整呈现矽互补金属氧化物半导体的电晶体的可行性” Larry Pileggi, Tanoto 提到, 他目前在卡内基·梅隆大学担任电气和计算机工程教授及致力于研究电路与系统解决方案中心主任.

主要的障碍

虽然多年来碳奈米管电路已有显著成果, 但电路大部分仍以单一奈米管来设计. 在碳奈米管可普遍使用前, 现在主要有两个问题存在. 第一个问题是要完全正确对准奈米管图形的制程能力已证实几乎达不到了, 这会影响导线走线不正确导致电路错误. 第二个问题是当奈米碳管的金属导体特性出现 (相反于原设计的奈米碳管半导体的特性), 这会造成电路短路, 过度的电源漏电及互感杂讯产生. 麻烦的是目前尚无专门的碳奈米管合成技术(synthesis)可设计出给半导体电路用的奈米管.

“未来, 积体电路是以密度和能源效率为基础, 碳奈米管电晶体有很多令人着迷的原因. 但是,在用化学制作上产生了独特的挑战, 第一次化学制程要跟微电子结合. 其中最主要的问题是在自己的位置精准度和其电气特性的变异. 史丹佛大学在电路设计时有考虑到此变异性, 因此在正确方向上迈进重要一步” Supratik Guha 说, 他是IBM Thomas J. Watso研究中心物理科学部门主任.

“即使有重重困难在眼前, Wong和 Mitra依然能解决这些挑战并且有很好的发展, 这真的是一个非常有趣而且有创意的工作”Bokor 补充说明. 当了解再好的制造流程也无法解决这些缺陷问题, 史丹佛大学工程师们设法绕过障碍, 采用了独特的免疫缺陷的设计模式, 产生有史以来第一次整片晶圆的数位逻辑结构不受没对准和错误定位碳奈米管的影响.除此之外, 他们还发明在电路里移除金属奈米碳管不良元件的技术.

显著的特点

史丹佛大学的设计有两个显著特点, 第一它几乎完全没牺牲奈米碳管的能源效率, 第二它相容于现有矽制程方法和基础设备, 使得技术朝向商品化, 迈出重要一步. “这项变革的研究, 实际上是很有前途的, 它既可共存与现今主流矽制程技术, 并且利用目前的制造和系统设计的基础设施,提供技术商品化关键的可行性” Betsy Weitzman说, 他目前任职半导体研究公司专注研究计划中心

未来, 工程师将展示奈米碳管可能发展的技术, 设计出数位电路基本元件:算术运算电路和顺序电路存储元件, 以及第一个几乎完全整合三维积体电路. 史丹佛大学的研究最近受邀发表在 IEDM（International Electron Devices Meeting）及IEEE Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems的重点文章.

“许多研究人员认为可缺陷碳奈米管制造必须使用昂贵的容错技术. 然而Mitra 和Wong有过人的洞察力, 研发出不同的解决办法. 显然他们使用廉价和实用的方法就大大改善了奈米碳管电路的强韧性, 使得设计碳奈米管电路的可行性是一条可以走很远又很久的路” IEEE Transactions on CAD的主编Sachin S. Sapatnekar 说，“我预期这是一篇会引起读者高度兴趣的研究报告”