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管状石墨烯碳纳米管能替代矽电晶体通道

发布时间:2019-08-15 19:55:11

  自从NEC研究人员饭岛澄男(Sumio Iijima )在1991年首度发现碳纳米管(CNT)后,这方面的研究一直持续进展。他形容碳纳米管是继石墨稀、钻石以及富勒烯(fullerenes;巴克球 Buckyballs)之后碳的第四种形式。基本上,碳纳米管可视为卷成管状的石墨烯原子薄层,并稳定维持1.2nm的直径。

  碳纳米管由于在室温下的电迁移率超过每秒100,000-cm2//V,比标准矽晶片每稍1,400-cm2//V的电迁移更快70倍,因而几乎马上就能确定可用于取代矽电晶体中的通道。

  研究人员试图采用各种不同的方法在矽电晶体的源极与汲极上布置预先制作的碳纳米管,其次是在源极与汲极顶部放置晶种,使其得以在固定位置进行生长。从年,全球各地的实验室持续各种尝试,但仍无法成功放置预制的碳纳米管。

  美国乔治亚理工学院博士后研究员Wenzhuo Wu(左)与教授王中林教授(右)展示高透光、可弯曲与拉伸、极轻且几乎透明的MoS2压电半导体,是一种可用于取代矽的神奇材料。(来源:Rob Felt,Georgia Tech)

  碳纳米管易于以机械方式制造,但遗憾的是有些是金属而非半导体 由于其偏光性 使其必须找到一种方法,移除可能导致电晶体发生故障的金属类型。目前已经成功开发出2种方法了,一种是提前进行分类,另一种则是在施加高压脉冲后烧毁金属。

  史丹佛大学展示的 D晶片以标准过孔方式连接4层电路,最底层是标准CMOS,最上层是碳纳米管逻辑电晶体,中间2夹层是RRAM(来源:Stanford University,Mitra/Wong Lab)

  一旦这个问题解决了,还有最后一个问题是如何把他们安置在理想的位置,就像在矽晶基底上的通道一样。研究人员们起初只是随机摆放,但成效不大,直到2015年,IBM成功发表一种在源极与汲极放置碳纳米管的自对准方法。

  图中显示具有一端键合触点的碳纳米管电晶体,其触点长度低于10nm (来源:IBM Research)

  穿透式电子显微镜(TEM)影像横截面显示具有一端键合触点的碳纳米管电晶体(来源:IBM Research)

  石墨烯研究人员从来不曾放弃希望 事实上,德州仪器(Texas Instruments)现在能够生长晶圆级石墨烯了;此外,根据Lux Research的资料,中国目前正主导全球石墨烯和纳米管了的制造。

  Lux Research分析师Zhun Ma指出: 中国碳纳米管供应商累积的现有产能已经能够满足2015年以前所预期的全球市场需求量了。 但在2016年,这一巨大需求将超过中国所能供应的产能,因此,这是2016之所以会是碳纳米管电晶体年的另一个理由。

  编译:Susan Hong

  (参考原文:2016: Year of the Nanotube Transistor?,by R. Colin Johnson)

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