IBM推碳纳米管芯片，真的会是硅的完美替代者吗？

2016-11-16 10:24:00 来源: 互联网

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据外媒报道，硅在芯片领域的主导地位可能终结。多年来，研究人员和企业家希望碳纳米管能给芯片设计带来一场革命。从理论上说，这种分子水平的结构，能用来制造速度是现有产品6-10倍、能耗大幅降低的芯片。除更快和更节能的笔记本、智能手机芯片外，处理能力强大的微型处理器还可以催生新型技术，例如可弯曲计算机和可注射入体内的微型芯片，或杀死人体内癌细胞的纳米机器。

现在，IBM一个研究团队称取得了技术突破，使纳米梦想向现实又迈近了一步。

碳纳米管存在的问题是其尺寸。碳纳米管尺寸很小，操作相当困难，不适合采用传统芯片制造技术。IBM研究院材料科学家乔治·图利夫斯基(GeorgeTulevski)及其团队，利用化学过程“诱骗”纳米管自己组装为需要的新结构。其方法更像是水晶生长而非雕刻塑像。

最近数年纳米技术再次转热。去年，IBM研究院一个团队开发了一种新方法，在一个更小空间中封装更多碳纳米管晶体管。NanotronicsImaging等公司开发出了显微镜，降低了制造纳米水平设备的难度。

IBM研究院团队距离量产纳米管芯片尚有数年时间。因为硅芯片性能还在不断提高，IBM团队不仅需要开发纳米管处理器制造工艺，还需要使其性能超过硅芯片，这都需要时间。

碳纳米管取代硅？

碳纳米管（英语：Carbon Nanotube，缩写CNT）是在1991年1月由日本筑波NEC实验室的物理学家饭岛澄男使用高分辨透射电子显微镜从电弧法生产的碳纤维中发现的[1]。它是一种管状的碳分子，管上每个碳原子采取sp2杂化，相互之间以碳-碳σ键结合起来，形成由六边形组成的蜂窝状结构作为碳纳米管的骨架。每个碳原子上未参与杂化的一对p电子相互之间形成跨越整个碳纳米管的共轭π电子云。按照管子的层数不同，分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。管子的半径方向非常细，只有纳米尺度，几万根碳纳米管并起来也只有一根头发丝宽，碳纳米管的名称也因此而来。而在轴向则可长达数十到数百微米。

碳纳米管不总是笔直的，局部可能出现凹凸的现象，这是由于在六边形结构中混杂了五边形和七边形。出现五边形的地方，由于张力的关系导致碳纳米管向外凸出。如果五边形恰好出现在碳纳米管的顶端，就形成碳纳米管的封口。出现七边形的地方碳纳米管则向内凹进。

碳纳米管具有硅的半导体特性，而这种特性是它成为芯片晶体管的关键。当接通电流时它们有极好的传输电子的能力。但是芯片制造者必须找出一种可以大规模的非常精确地排列碳纳米管的方法，这样的电脑芯片才有可能走向实用阶段。

IBM的研究报告称，结合化学方法，他们可以将单个的碳纳米管放置在他们想要放的特殊的沟道里。而且在构造碳纳米管场效应装置（CNTFET）时，能够达到每平方厘米10亿个纳米管的密度。

“这种能精确整齐地放置单个纳米管的能力使制造出大量单-CNT晶体管成为可能。”论文中的研究者提到，“使用这种放置方法，我们制造出了CNTFET阵列，并且在一个芯片上放置了一万多个碳纳米管。”

整个制造过程需要用到多种技术。第一步是准备晶圆（wafer）。晶圆是生产集成电路用的载体，此过程与现在的传统微处理器所使用的相同。在其上表面涂有两层物质，第一层是二氧化铪，在这上面再涂一层特殊的二氧化硅，使得二氧化铪能够有一部分暴露在外面，这个部分就是要与碳纳米管结合的沟道。然后在二氧化铪上涂上一层非常薄的化学材料NMPI。

下一步是准备碳纳米管。它们被包裹在一种类似肥皂的表面活性剂（十二烷基硫酸钠）里，将它们溶在水中，然后将晶圆浸入溶液中。

表面活性剂和NMPI产生互相吸引的化学反应，使碳纳米管结合到二氧化铪的沟道里。IBM的这个方法可以用来整齐的将纳米管放入狭窄的沟道网格里。

IBM还建造了一个与碳纳米管连接的分离装置，这样它们的性能就可以被测量出来了。

图中的黑线就是被置入进沟道的碳纳米管，可以看见不是每个纳米管的位置都很精准。放置的越准确，碳纳米管被用作电脑芯片的半导体器件的可能性越大。

虽然碳晶体管的前景非常光明，但是也只是计算领域“后硅时代”的候选者之一。其它的选择还有：与碳纳米管很相近的石墨烯；把硅换成其它元素如铟，砷和镓；硅光子，用光来代替电子来传送信息；自旋电子；另外还有一些更科幻的可能，比如DNA计算和量子计算。而IBM并没有保证这项技术将在商业上可行，但是他们的论文中已经对此表示了乐观的态度，更重要的是，这个过程可以与目前的芯片制造技术的发展相结合。

“这种新的置入技术实施起来不难，只需要一些普通的化学材料和处理过程，而且为将来的CNTFET的实验性研究提供了一个平台。”论文中提到。“此外，这些结果显示，这种通过化学手段使其自组装的CNT置入方法，对于发展可行的CNT逻辑电路技术是很有希望的，并且可与现存的半导体制造技术相结合。”

为什么需要碳纳米管

据国外媒体报道，在计算机从冰箱大小的大型机到能装入口袋里的智能手机的发展过程中，芯片变得越来越小，运行速度越来越快。其间，小型化是计算机进化的核心。尽管在电子原件向原子程度缩小的过程中，面临着严峻的工程挑战。

IBM不久前发布研究报告，阐述小型化如何能够继续维持芯片制造业的发展。这是IBM 30亿美元研究计划的一部分，他们的目标旨在利用碳纳米管技术制造芯片。这些纳米管都是空心圆柱结构，管壁则由单层碳原子构成，并以六角形晶格相连。它看起来就像非常细小的鸡肉丝卷，大约比人类头发小一万倍。

IBM旗下沃特森研究中心的材料学家韩淑珍（Shu-Jen Han）表示：“这种突破证明碳纳米技术可以大规模应用，比如能够制作更小的芯片组件。我们认为这个目标能够在10年内实现，比业内预测的时间更早。”

缩小芯片体积、增强芯片性能是维持计算机行业运行数十年的“摩尔定律”正确性的关键。按照摩尔定律所述，新的芯片制造技术每两年就会迭代，它已经帮助将计算机送到我们的桌子上、口袋里以及手腕上。它帮助谷歌(微博)搞清楚网络的意义，帮助Facebook识别照片中的朋友面容。但是这种进步速度正在减缓，如果它停下里，许多未来的革命性计算机理念将不再有机会实现。

比利时独立纳米电子研究中心IMEC的逻辑研究项目主管亚伦·希亚（AaronThean）说，IBM开发新技术的确是个好消息，他们正在这个领域取得良好进展。但是要想令纳米管技术应用于实践，还需要完成更多工作。

TechKnowledgeStrategies的著名芯片业务分析师迈克·费布斯（Mike Feibus）称IBM的研究是突破性的。他说：“这是个巨大进步，这将让那些称摩尔定律最终失效的人安静下来。”

整个微处理器行业都在努力寻找克服当今困境的方法，而IBM特别关注碳纳米管技术。最后，IBM希望纳米管能被用于制作芯片，而这种芯片可被应用到诸多领域，从组装超级计算机到微型计算机等，它们还可被置于衣服和汽车轮胎压力计中。

当今的芯片晶体管都是利用硅元素制造的，主要依赖于硅元素在不同环境下可导电或不导电的特性。碳纳米管则拥有半导体的这种特性，并且能充当处理数据的开关。IBM的研究已经找出更好方式，可将这些纳米管与微处理器其它部分更好地连接起来，以便于它们在处于运行状态时能够导电。此前，高电阻可阻止电流流动，但是IBM的办法是将纳米管的一端与金属钼相连。这种连接本身应用很少，但却是制作微型芯片电路的关键。

韩淑珍说，这种技术可被用于制作三代芯片，此后还可应用于未来芯片制造技术中。但是它提供的最小化能力，足以令制造芯片技术再延长3代以上。此前，这种迭代非常困难，因为随着电子元件变小，电阻会变得越来越大。

希亚则看到其他挑战。尽管IBM已经找到如何降低电阻的方式，但研究人员依然需要处理可导致电流减慢的电容问题。在电路开关过程执行计算任务时，电阻和电容都会降低电流速度。

IBM本身也发现其他阻碍。其中之一就是碳纳米管分为两类：半导体和金属。它们很难被区分，但是如果用金属碳纳米管，晶体管就会被毁掉。

另一个挑战存在于制造过程中。如今的核心芯片制造技术被称为光刻，即将硅片上特定部分除去、留下电路的技术。而碳纳米管要求材料要以极为精确的方式刻在芯片上。韩淑珍说：“制造硅芯片的时候，就像用大理石雕刻塑像。而制造碳纳米管芯片，就使用大理石粉塑造塑像一样，我们需要找到新的方式。”

碳纳米管的更好生产方法

其他研究者们也认为，用碳纳米管可造成性能更好的晶体管了。碳纳米管晶体管可以成为快速处理和无线传输的基材，它耗能更少，且电池寿命更长。

“这一成就是纳米技术过去20年来的梦想，”首席研究者，威斯康辛大学麦迪逊分校材料科学教授Michael Arnold说。这一里程碑式的突破将会改变高速通信和其他电子系统，他补充到。

不仅于此，碳纳米管晶体管有望代替硅晶体管，为计算机产业带来翻天覆地的变化。这一突破对移动技术尤为重要，因为它需要在更小的范围内产生更多的电流。

该突破提出了一个可能，即碳纳米管晶体管能不能替代现有的传统晶体管。

碳纳米管电阻的电流比硅晶体管高1.9倍，研究者们用外推法预测它们将比硅晶体管快5倍。然而，金属杂质会影响纳米管的半导体性能，目前的技术能力还很难生产出可以用在电子产品上的纯净纳米管。研究者们则设法造出了超高纯度半导体碳纳米管。

科学家们成功找出了可以将纯净纳米管从不纯净物中分离出来的特定条件，仅剩余0.01%的金属杂货。

纳米管的布局和排列也依旧是个难题。在2014年，威斯康辛大学麦迪逊分校的研究者们克服这一困难，他们发明了一种叫做「悬浮蒸汽自组装」的方法，从而可以控制这一过程。

在六边形结构中，碳原子之间被强有力地键连起来，碳纳米管可以产生一种叫做「电子离域」的现象，电荷可以在其中自由穿行。

之前用来分离纯净半导体纳米管的步骤也将纳米管从电导电极中隔离开来。这是因为碳纳米管集束很难形成高传导触头，这会导致电导率以及FETs开关电流比下降。

在21世纪，晶体管技术发展的重要性不是简单几句话就能说清的。研究团队正在让这一技术适应硅晶体管的几何结构。

Arnold和他的同事们将碳纳米管晶体管和同等大小、泄漏电流和几何结构的硅晶体管作比较。“我们觉得它配得上一个大新闻。”从长远来看，比如10年后，碳纳米管晶体管可能会在计算机行业中普遍使用。但是碳纳米管晶体管在分类、加工、排序和触头等方面的限制也带来了非理想特性，尤其当碳纳米管晶体管被紧密封装在并行阵列中时。所以碳纳米管晶体管离实际应用还有很长的路要走。