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半導體新製程: 奈米碳管 (CNTs)

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編譯 / judychang7777(從事半導體電路設計)

在持續不斷微小化的電子系統裡,能源效率是目前面臨的最大挑戰,而微小化就是主要推動半導體產業的驅動力。「當我們接近摩爾定律(Moore’s Law)的極限,矽製程在追求微小化的未來終究是要被取代」Jeffrey Bokor提到;他目前是勞倫斯伯克利國家實驗室(Lawrence Berkeley National Laboratory)分子鑄造科學的副主任,及加州大學柏克萊分校教授。

目前為止,奈米碳管(CNTs)所採用的重要技術是以傳統的矽製程出發,並且很有機會來解決能源效率的挑戰。奈米碳管是以碳圓柱體奈米為架構,具有特殊的電學,熱學及力學特性。奈米管電路相較矽製程電路,能大大的提高10倍能源效率。

早期的期許

在1998年發表第一個簡陋的奈米電晶體,研究人員便夢想著將會有一個新時代來臨,一個具有高效能又超強運算能力的電子世界。但奈米管(nanotubes)的材質特性並不完美,這使得工程師們不禁懷疑奈米碳管是否能實現這一夢想。

在過去的幾年中,由 Subhasish Mitra教授和H.-S. Philip Wong帶領由史丹佛工程教授、博士生、碩士生、高中實習生組成的工程團隊,克服了挑戰,利用奈米碳管技術設計出最先進的運算電路和存儲元件,並且有許多電路設計上的突破。

研究人員花了十多年都無法解決頑劣脆弱的材料問題,這些困難障礙也嚴重阻礙了奈米管電路在電子工業中被廣泛採用。現在,這些高品質,強韌的奈米管電路已不受材料缺陷影響,這對超大型積體電路(VLSI)使用奈米管技術是很重要的里程碑。

「在十多年前,研究界首次驚嘆碳奈米管特殊的電學、熱學和力學特性。而史丹佛大學最近第一次發表可用碳奈米管完整呈現矽互補金屬氧化物半導體的電晶體的可行性」Larry Pileggi Tanoto 提到,他目前在卡內基·梅隆大學擔任電氣和計算機工程教授,及電路與系統解決方案中心主任。

主要的障礙

雖然多年來碳奈米管電路已有顯著成果,但電路大部分仍以單一奈米管來設計。在碳奈米管可普遍使用前,現在主要有兩個問題存在;第一個問題是要完全正確對準奈米管圖形的製程能力已證實幾乎達不到了,這會影響導線走線不正確導致電路錯誤;第二個問題是當奈米碳管的金屬導體特性出現(相反於原設計的奈米碳管半導體的特性)會造成電路短路,過度的電源漏電及互感雜訊產生。麻煩的是目前尚無專門的碳奈米管合成技術可設計出給半導體電路用的奈米管。

「未來,積體電路是以密度和能源效率為基礎,碳奈米管電晶體有很多令人著迷的原因。但是,在用化學製作上產生了獨特的挑戰,第一次化學製程要跟微電子結合,其中最主要的問題是在自己的位置精準度和其電氣特性的變異。史丹佛大學在電路設計時有考慮到此變異性,因此在正確方向上邁進重要一步」IBM Thomas J. Watso研究中心物理科學部門主任 Supratik Guha 說到。

「即使有重重困難在眼前, Wong和 Mitra依然能解決這些挑戰並且有很好的進展,這真的是一個非常有趣而且有創意的工作」,Bokor 補充說明。了解到再好的製造流程也無法解決這些缺陷問題時,史丹佛大學工程師們設法繞過障礙,採用了獨特的免疫缺陷(imperfection-immune )設計模式,產生有史以來第一次整片不受沒對準和錯誤定位碳奈米管影響的晶圓之數位邏輯結構(digital logic structures)。除此之外,他們還發明在電路裡移除金屬奈米碳管不良元件的技術。

顯著的特點

史丹佛大學的設計有兩個顯著特點-第一,它幾乎完全沒犧牲奈米碳管的能源效率;第二,它相容於現有矽製程方法和基礎設備,使得技術朝商品化邁出重要一步。「這項變革的研究實際上是很有前途的,它既可共存與現今主流矽製程技術,並且利用目前的製造和系統設計的基礎設施,提供技術商品化關鍵的可行性」目前任職於半導體研究公司的 Betsy Weitzman說的。

未來,工程師將展示奈米碳管可能發展的技術,設計出數位電路基本元件-算術運算電路和順序電路存儲元件,以及第一個幾乎完全整合的三維積體電路。史丹佛大學的研究最近受邀發表在 IEDM(International Electron Devices Meeting)及IEEE Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems的重點文章。

「許多研究人員認為完美碳奈米管製造必須使用昂貴的容錯技術。然而Mitra 和Wong有過人的洞察力,研發出不同的解決辦法。顯然他們使用廉價和實用的方法就大大改善了奈米碳管電路的強韌性,使得設計碳奈米管電路的可行性是一條可以走得久遠的路」 IEEE Transactions on CAD的主編Sachin S. Sapatnekar 說,「我預期這是一篇會引起讀者高度興趣的研究報告。」

資料來源:Engineers Perfecting Carbon Nanotubes for Highly Energy-Efficient Computing. ScienceDaily (June 14, 2012)

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