碳纳米管晶体管实现从实验室到工厂的飞跃

　　碳纳米管晶体管离商业现实又近了一步，现在麻省理工学院的研究人员已经证明，这种设备可以在商业设施中快速制造，与制造硅基晶体管的设备相同，硅基晶体管是当今计算行业的支柱。

　　碳纳米管场效应晶体管(简称CNFETs)比硅场效应晶体管更节能，可用于制造新型三维微处理器。但到目前为止，它们大多存在于一个“手工”空间，在学术实验室中少量制作。

　　在2020年6月1日发表的一项研究中电子性质然而，科学家们展示了如何在200毫米晶圆上大量制造cnfet，这是计算机芯片设计的工业标准。碳纳米管是在一个商业硅制造工厂和一个半ico中创建的美国半导体代工厂。

　　麻省理工学院的研究人员展示了一种在制造硅基晶体管的商业设施中制造碳纳米管晶体管的方法。这张照片展示了安东尼·拉特科维奇(左)和明迪·毕晓普，后者拿着一个硅片的例子。图片来源:研究人员提供

　　麻省理工学院电子工程和计算机科学助理教授Max Shulaker和他的同事们在分析了用于制造CNFETs的沉积技术后，做出了一些改变，使制造过程比传统方法加快了1100多倍，同时还降低了生产成本。该技术将碳纳米管在晶圆上边缘沉积，在多个晶圆上分布了14400 × 14400组CFNETs。

　　Shulaker从他的博士时代就开始设计CNFETs，他说这项新研究代表着“向前迈出的一大步，使其跨入生产水平的设施。”

　　他补充说，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”。“但这是新兴技术的重要试金石。”

　　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(Mindy D. Bishop)，他是哈佛-麻省理工学院健康科学与技术项目的博士生，以及盖奇·希尔斯(Gage Hills)、如来·斯里马尼(tadagata Srimani)和克里斯蒂安·刘(Christian Lau)。

　　解决意大利面问题

　　几十年来，硅基晶体管制造技术的改进降低了计算机的价格，提高了能源效率。然而，这一趋势可能即将结束，因为集成电路中晶体管数量的增加似乎并没有以历史性的速度提高能源效率。

　　Shulaker说，碳纳米管是一种有吸引力的替代技术，因为它们比硅基晶体管“能源效率高一个数量级”。

　　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造的电路层上建造电路层，从而创造出一个三维芯片。”“硅基技术不能做到这一点，因为你会融化下面的层。”

　　他说，一种可能结合了逻辑和记忆功能的3D计算机芯片预计将“在性能上比最先进的硅制2D芯片高出几个数量级”。

　　在实验室中构建CFNETs最有效的方法之一是一种名为“孵育”的沉积纳米管的方法，即将晶圆浸入纳米管的池中，直到纳米管粘在晶圆表面。

　　毕晓普说，碳纳米管的性能在很大程度上是由沉积过程决定的，沉积过程影响晶圆表面碳纳米管的数量和它们的取向。它们“要么以随机的方向粘在晶圆上，就像煮熟的意大利面，要么都以相同的方向排列，就像包里还没煮熟的意大利面，”她说。

　　将纳米管在CNFET中完美地对齐可以获得理想的性能，但很难实现对齐。毕晓普解释说:“在一个200毫米的大晶圆上以完美的方向放置数十亿个直径为1纳米的微型纳米管是非常困难的。”“把这些长度尺度放在背景中，就像试图用完美导向的干意大利面覆盖整个新罕布什尔州。”

　　孵化法虽然适用于工业，但根本没有对齐纳米管。Bishop说，它们最终在晶圆上更像煮熟的意大利面，研究人员最初认为这不会提供足够高的CNFET性能。然而，在他们的实验之后，她和她的同事们得出结论，简单的孵化过程可以生产出比硅基晶体管性能更好的CNFET。

　　烧杯外的cnfet

　　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，他们发现干循环(一种间歇性地烘干浸在水中的晶圆的方法)可以大大缩短孵育时间——从48小时缩短到150秒。

　　另一种被称为ACE(通过蒸发人工浓缩)的新方法将少量纳米管溶液沉积在晶圆上，而不是将晶圆浸泡在容器中。溶液的缓慢蒸发增加了碳纳米管的浓度和沉积在晶圆上的整体密度。

　　Bishop说:“在我们的实验室里，我们可以让晶圆在烧杯里放置一周，但对于公司来说，他们就没有这种奢侈了。”

　　她说，那些帮助他们理解和改进孵化方法的“优雅简单的测试”，“被证明对解决学术界可能没有、但工业界在考虑建立一个新流程时肯定有的担忧非常重要。”

　　研究人员与一家商业硅制造工厂Analog Devices和一家半导体铸造厂SkyWater Technology合作，使用改进的方法制造了CNFETs。他们能够使用两家工厂制造硅基晶圆所用的相同设备，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。

　　毕晓普说:“我们非常幸运能与行业合作伙伴密切合作，了解他们的需求，并根据他们的输入迭代我们的开发。”他指出，这种合作关系帮助他们开发了一个自动化、高容量和低成本的流程。

　　Shulaker补充说，这两家工厂展示了对新兴技术“研发和探索优势的严肃承诺”。

　　“我们很高兴能够继续我们的工作，为CNFETs的商业市场提供关键的基础设施。SkyWater总裁Thomas Sonderman表示:“这一努力是将领先的先进计算制造业带回美国的关键举措。”

　　他说，下一步已经在进行中，将在工业环境中用cnfet制造不同类型的集成电路，并探索3D芯片可能提供的一些新功能。“下一个目标是让它从学术上的有趣转变为人们使用的东西，我认为这是朝着这个方向迈出的非常重要的一步。”

　　参考资料:Mindy D. Bishop, Gage Hills, tadagata Srimani, Christian Lau, Denis Murphy, Samuel Fuller, Jefford Humes, Anthony Ratkovich, Mark Nelson和Max M. Shulaker，《在商业硅制造设施中制造碳纳米管场效应晶体管》，2020年6月1日，Nature Electronics。DOI: 10.1038 / s41928 - 020 - 0419 - 7