突破兩大難關(guān) 開關(guān)速度比普通硅晶體管快1000倍
科技日?qǐng)?bào)訊 (記者王小龍)美國威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的科學(xué)家日前在碳納米管晶體管制造技術(shù)上獲得了一項(xiàng)突破。由其開發(fā)出的新型高性能碳納米管晶體管成功突破了純度和陣列控制兩大難題，在開關(guān)速度上獲得了比普通硅晶體管快1000倍，比此前最快的碳納米管晶體管快100倍的成績。碳納米管晶體管向正式商用邁出了關(guān)鍵一步。相關(guān)論文發(fā)表在《美國化學(xué)學(xué)會(huì)·納米》雜志上。
碳納米管是將單層的碳原子薄片卷起形成的管狀材料，作為一種半導(dǎo)體材料，碳納米管有很多優(yōu)于硅的天然屬性，其中的電子可以比硅晶體管更輕松地轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)更快速的數(shù)據(jù)傳輸，很早就被認(rèn)為是制造下一代晶體管的理想材料。此外，這種材料還具備很好的強(qiáng)度和柔性，可以用來制造柔性顯示器和電子設(shè)備，經(jīng)得起拉伸與彎曲，讓電子設(shè)備能夠集成到衣服或其他可穿戴設(shè)備上。
然而，制造高性能的碳納米管晶體管面臨著兩大技術(shù)難題。一是要達(dá)到極高的純度，因?yàn)樘技{米管中的金屬雜質(zhì)會(huì)像銅線一樣導(dǎo)致設(shè)備短路，只有高純度才能獲得高效率;二是精度極高的陣列控制，要將數(shù)量眾多的碳納米管塞進(jìn)指甲蓋大小的芯片就必須精確地控制好各個(gè)碳納米管之間的距離。
在新的研究中，威斯康星大學(xué)麥迪遜分校材料學(xué)副教授邁克爾·阿諾德和帕德瑪·高普蘭教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)成功突破了這兩個(gè)難關(guān)。憑借在碳納米管領(lǐng)域二十多年的積累，他們使用聚合體篩選技術(shù)找到了制造高純度碳納米管半導(dǎo)體的解決方案。而后又用一種被稱為“浮動(dòng)蒸發(fā)自組裝(FESA)”的技術(shù)解決了碳納米管的陣列問題。
物理學(xué)家組織網(wǎng)1月15日?qǐng)?bào)道稱，先前的技術(shù)精度控制較差，碳納米管填充的密度要么過于稀少，要么太過緊密。威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的研究人員通過對(duì)碳納米管溶液的快速蒸發(fā)觸發(fā)其自組裝現(xiàn)象，讓這一問題迎刃而解。該團(tuán)隊(duì)曾在2014年美國化學(xué)學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)期刊《朗繆爾》上對(duì)該技術(shù)進(jìn)行過介紹。
阿諾德說：“這不是一次簡單的改進(jìn)。有了這些成果，我們讓碳納米管晶體管技術(shù)得到了飛躍式的發(fā)展。新型碳納米管在性能上遠(yuǎn)優(yōu)于目前工業(yè)上所使用的薄膜晶體管。最新的進(jìn)步讓碳納米管晶體管取代硅芯片成為了可能，而后者在尺寸和性能上已經(jīng)達(dá)到了極限。除了為新一代消費(fèi)類電子產(chǎn)品鋪路，這項(xiàng)技術(shù)也可能在工業(yè)以及軍事上獲得應(yīng)用。”
據(jù)悉，阿諾德的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)通過威斯康星大學(xué)校友研究基金會(huì)為該技術(shù)申請(qǐng)了專利，并與一些企業(yè)進(jìn)行了接觸。
總編輯圈點(diǎn)
拜偉大的摩爾定律所賜，幾十年來微芯片技術(shù)一次又一次地突破了工藝極限。為了進(jìn)展到下一個(gè)硅晶時(shí)代，除了各種缺陷和摻雜不均的問題之外，業(yè)界還面臨著硅晶體管尺寸進(jìn)一步縮小的挑戰(zhàn)，硅基芯片的物理極限很可能成為不可逾越的障礙。因此，人們一直在努力尋找能夠替代當(dāng)前硅芯片的物質(zhì)，碳納米管就是主要的研究方向之一。一旦現(xiàn)在的硅晶體管技術(shù)發(fā)展到了盡頭，文中所述的新技術(shù)有望幫助碳納米管成為硅的替代品。
