IBM新方法，向超越7纳米前进

插图来源：IBM

量子点（红色）、碳纳米管（灰色）和二硫化钼纳米片（白色/灰色）显示为代表性的0D，1D和2D纳米材料，可以基于石墨烯基的、电场辅助的沉积方法将它们大规模地加以组装。

四年前，IBM宣布将在未来五年内投资30亿美元用于 发展 纳米电子 学[1] ， 这笔投资对应的大项目名称是“7纳米及超越 7 纳米” 。至少有一家主要芯片制造商 （包括 GlobalFoundries ） 在7纳米节点碰壁， 但IBM正通过使用 石墨烯在预 先确定的位置沉积 纳米材料 ，继续向前迈进 。

据 《自然 - 通讯》 期刊上10月 5 日在线发表的一篇论文 [2] 所述， I BM的研究人员首次 使 石墨烯 带电以便 其 帮助实现 以97%的准确率 沉积 纳米材料。

“由于这种方法适用于各种纳米材料，我们设想了 具有代表 纳米材料独特物理特性的功能的集成 器件。 ”IBM 巴西研究所的管理者 Mathias Steiner说。“我们还能 想到 在由纳米材料的光学特性决定的不同波长范围内工作 的 芯片上光探测器和发射器 。 ”

Steiner 解释说，例如 ，如果 你 想要修改光电器件的光谱 特性 ， 你 可以简单地 替换 纳米材料， 而 同时保持制造工艺流程 不变 。如果 你 进一步采用该方法， 你 可以进行多次组装 ，将 在不同 位置的 不同纳米材料 加以组装 ，以创建同时在不同检测窗口 运行 的 多个芯片上 光检测器。

IBM 巴西研究所 的研究人员Michael Engel说，整个方法可以看作是一种自下而上/自上而下的混合 工艺流程 。几年前，IBM创造了一种混合工艺 [3] ，它结合了自 上而 下的制造技术 （ 如 光刻 技术 ） 和自 下而 上的技术 （ 通过自组装“ 生长出 ”电子产品 ） 。

Engel 解释说，这种混合工艺的第一步是 直接在 进行纳米材料组装的基板上 生长 石墨烯。

在IBM的演示中，他们在碳化硅上使用 了 石墨烯。 Engel 指出，也可以在另一种材料 （ 如铜 ） 上生长石墨烯，然后剥离石墨烯并将其放在硅/ 二氧化硅晶片上 。

下一步是蚀刻石墨烯以确定沉积 位置 。这是大规模 完成的 ，可以 被 认为是 该工艺 的自 上而下 部分。

第三步采用自下而上技术，研究人员将AC电场应用于图案化的石墨烯层，同时在 上面放置 纳米材料溶液。然后 ， 纳米材料 被 拖曳下 来 并 被限制 在 相反 的石墨烯电极之间。

Engel说 ： “ 所以 ，石墨烯 履行 了 界定 放置位置和为定向纳米材料 组装 提供电场 方向 和拖曳力的功能”。

在该工艺的第四步中，蚀刻掉石墨烯沉积电极，接着是用于集成和操作电子或光电器件的 其他 制造步骤。

在 这项研究成果 之前的 最先进 技术是使用金属电极， 金属电极是很难移除的，限制了 器件性能和集成潜力。

Steiner 说： “我们相信这项 研究 的最大突破是在更大 的、 毫米 尺度 的区域 内 自下而上放置纳米级分辨率 的 各种纳米材料， 并可很容易地 移除（残留的自由）电极。石墨烯电极 使 纳米材料 对齐 和 密集排列的能力出色，且可限制 化学 物质的 暴露，避免金属线，从而 实现 卓越的器件性能。”

该工艺 不会在一夜之间拯救摩尔定律。根据Engel的说法，最大的挑战之一是将基于溶液 处理 的纳米材料引入工业 规模的 制造过程。

Engel说 ： “这将需要在纳米材料 溶液 的标准化方面取得进展，以实现可重复和一致的结果， 同时也需要使 电场辅助 的 方法适用于晶圆级制造工艺。”

虽然IBM无法解决纳米材料 溶液 的标准化问题，但研究人员正在 继续研究器件层面的技术 ， 并将 不同的纳米材料集成在一起，以便定制基本的集成电路 （ 例如电子逆变器 、 环形振荡器 等） 。

沿着这些思路 ，研究人员正在开发其光谱特性由组装的纳米材料决定 的、 专用的 芯片上 光发射器和探测器。

参考文献：

[1]https://spectrum.ieee.org/nanoclast/semiconductors/nanotechnology/ibm-pours-3-billion-into-future-of-nanoelectronics

[2]https://www.nature.com/articles/s41467-018-06604-4

[3]https://spectrum.ieee.org/nanoclast/semiconductors/materials/direct-control-of-nanowire-selfassembly-leads-to-new-devices

IBM研究人员发表在Nature Communications上的论文（参考文献2）。

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