摩尔定律有救了?IBM解决了碳纳米管晶体管的大问题

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碳纳米管可以大大缩小计算机芯片上的晶体管尺寸,甚至能超过今天的硅开关的物理极限。但是,要做到这一点,碳纳米管晶体管必须克服一个主要的障碍——纳米管与向其注入电流的金属接触点之间的电阻。最近,IBM的研究者称,他们已经打破了这个障碍,为下一代芯片的核心技术铺平了道路。 当金属接触点的尺寸减小时,它和晶体管半导体通道之间的电阻会增加,这限制了装置的表现。这对碳纳米管晶体管来说是一个特别严重的问题,因为,尽管IBM已经造出了仅有10纳米宽的通道,但金属接触点的尺寸却不能相应地缩小,相比之下十分庞大。

IBM解决这个问题的方法是使用了一种微观的焊接程序,可以将金属钼制成的接触点与碳纳米管结合在一起,使得碳纳米管的一端与接触点相连。与其他接触点生成过程不同,这个过程从化学上将金属和碳纳米管连接在了一起,形成了一个接触点长度仅9纳米、最小接触点电阻仅为25~35千欧姆的碳纳米管晶体管。

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IBM纳米设备与科技团队的Shu-Jen Han说:「最大的创新点不仅在于我们制造出了一个9纳米的设备,还在于接触点电阻不再受到接触点尺寸的限制。」这项研究成果刊登在10月2日的《科学》杂志上。 传统的晶体管通常将金属接触点的长边沿着晶体管的半导体材料主体设置,使其与通道的接触最长。相比之下,这个「端点相连」的方式让IBM缩小了碳纳米管晶体管的接触长度,从300纳米减小到10纳米,而没有增加任何接触电阻。

这项研究的示意图,展示了碳纳米管晶体管的一端与金属接触点相连,接触长度小于10纳米。

这项研究的示意图,展示了碳纳米管晶体管的一端与金属接触点相连,接触长度小于10纳米

硅晶体管已经沿着摩尔定律的曲线发展了几十年——即,每两年,计算机芯片中晶体管的计算能力会翻一倍。但是,硅晶体管已经开始接近它的物理极限了。 碳纳米管有望成为硅晶体管的接班人。在不到20年的时间里,IBM已经率先开发出尺寸比今天硅晶体管的一半还小的碳纳米管晶体管。IBM最新的这项成果意味着它将继续一往无前地制造更小的碳纳米管晶体管。 Han认为,这个突破将加速碳纳米管晶体管的开发进程。IBM希望这种端点相连的方式可以继续缩小碳纳米管晶体管的尺寸,达到1.8纳米的尺度。这差不多相当于未来4代晶体管的技术。

当然,在实验室里制造一个碳纳米管与真正的计算机芯片之间还有很长的路要走。IBM、斯坦福大学等高校和研究机构都在独立开发碳纳米管密集阵列,有望与硅晶体管媲美。 Han和他的IBM团队下一步聚焦在提升这个最新碳纳米管的可生产性和可靠性。但是首先,他们希望对钼之外的其他金属进行实验,以寻找能将接触点电阻降得更低的材料。

Han指出,碳纳米管不仅能为人们提供更快的电子设备,还能为柔性电子设备(比如可延展的导电光纤)提供材料。碳纳米管还能用来制造微型传感器和物联网中无线连接的电子设备。  来自IEEE,作者Jeremy Hsu,机器之心编译出品。编译:汪汪。

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