斯坦福大學(xué)成功研制出具備較復(fù)雜電路結(jié)構(gòu)的碳納米管集成電路

　　最近斯坦福大學(xué)研制出了首個三維碳納米管結(jié)構(gòu)電路，這項成果可能標志著科學(xué)家在研制納米管計算機方面又取得了一項重要的進展，納米管計算機相比現(xiàn)有的硅半導(dǎo)體計算機在運算速度和省電性能方面擁有較大的優(yōu)勢。盡管納米管計算機還需要10年左右的時間才有可能投入實用，但斯坦福大學(xué)的這項研究成果證明人類完全 可以使用碳納米管技術(shù)制造出疊層結(jié)構(gòu)的集成電路。疊層結(jié)構(gòu)的集成電路單位體積內(nèi)的運算效能較高，此外這種電路在散熱性能方面也具備一定優(yōu)勢。

　　據(jù)IBM公司最近的一項研究結(jié)果顯示，在功耗水平相當?shù)臈l件下，使用碳納米管技術(shù)制造的電路在運行速度上要比傳統(tǒng)的硅半導(dǎo)體電路塊5倍以上。IBM華生研發(fā)中心的高管Zhihong Chen稱：“雖然我們可以不斷縮小硅晶體管的尺寸，但其尺寸縮小到一定的等級之后，其性能表現(xiàn)便會越來越無法符合設(shè)計的要求。為此，我們一直在尋找一種可以替代硅半導(dǎo)體材料的新材料。”

　　此前科學(xué)家們在試驗室里已經(jīng)成功使用納米管制造出了單個晶體管，不過要把這些單獨的晶體管相互連接在一起，組成較大規(guī)模的集成電路則是非常困難的一件事，因為此前人們普遍認為要控制好集成電路中每一個納米管晶體管的制作質(zhì)量幾乎是不可能的事。不過斯坦福大學(xué)的科研人員則在上周舉辦的國際電子器件大會( International Electron Devices Meeting)上，介紹了完成這種“不可能任務(wù)”的一種方法。

　　斯坦福大學(xué)電子工程學(xué)教授H.-S. Philip Wong稱：“當我們制造大量納米級元件時，我們不能過于理想化，要求電路中的每一個納米級元件都能被完美無缺地制造出來。”在制造碳納米管集成電路時，電路內(nèi)部會生成半導(dǎo)體納米管和金屬納米管兩種可能導(dǎo)致電路短路的有害結(jié)構(gòu)。另外，碳納米管集成電路中，一部分納米管會沿著直線的方向生長，但另外一部分納米管則會出現(xiàn)彎曲現(xiàn)象，這是另一個碳納米管集成電路所需要解決的問題。盡管化學(xué)家們正在想辦法讓納米管盡量延直線方向生長，并保證碳納米管的制造過程中不會生成半導(dǎo)體/金屬等雜質(zhì)。但斯坦福大學(xué)的科學(xué)家則構(gòu)思出了另外一種方法來應(yīng)對這兩個問題。

　　他們的思路是正視納米管電路中很難去除半導(dǎo)體/金屬雜質(zhì)的問題，并想辦法盡量消除這些雜質(zhì)的影響。斯坦福大學(xué)的教授Subhasish Mitra稱：“我們找到了一種允許電路中存在金屬納米管結(jié)構(gòu)，并能保證這些雜質(zhì)不會對集成電路造成不良影響的方法。”

　　斯坦福的研究人員首先在石英基體上生成碳納米管結(jié)構(gòu)，然后再采用壓印技術(shù)把這些碳納米管壓制到硅晶圓上，并在這些納米管的頂部制造出金屬電極，而碳納米管和硅晶圓之間則以絕緣層隔開形成背柵(Back Gate)結(jié)構(gòu)，這樣便可以將半導(dǎo)體材質(zhì)的納米管關(guān)閉，隨后科學(xué)家會向前面制出的金屬電極通電，利用電流將納米管中的金屬雜質(zhì)燒盡(碳納米管可通過的電流比金屬材料大的多)，然后再在納米管的頂部制出頂柵(Top Gate)結(jié)構(gòu)，最后采用蝕刻方法將頂部留下的多余金屬電極消除。重復(fù)以上的步驟，便可以制造出堆疊式的三維碳納米管電路。

　　在這一系列工序中，碳納米管的壓印技術(shù)(Stamping process)是制造納米管堆疊層的關(guān)鍵技術(shù)，這種技術(shù)能在低溫狀態(tài)下制造電路，而保持低溫狀態(tài)則可以保證電路中的金屬觸點不會融化變形，斯坦福大學(xué)的研究人員去年曾經(jīng)展示過這種壓印技術(shù)。

　　目前斯坦福大學(xué)的研究人員已經(jīng)可以使用這種技術(shù)制造出相當于1960年代硅半導(dǎo)體電路水平的簡單電路，這種電路可以用于一些簡單的計算，數(shù)據(jù)存儲等應(yīng)用場合。目前他們已經(jīng)能夠在1微米的尺寸內(nèi)制造出5-10個碳納米管，但斯坦福大學(xué)的研究人員還計劃在現(xiàn)有成果的基礎(chǔ)上，制造出更復(fù)雜的碳納米管技術(shù)，他們的目標是能在1微米的尺寸范圍內(nèi)制造出100個納米管，這樣才能讓碳納米管電路具備足夠的性能水平。