Kolnanorör representerar en betydande avvikelse från traditionell kiselteknologi och erbjuder en lovande väg för att lösa utmaningen med energieffektivitet i datorkretsar, men de är inte utan utmaningar. Nu, ingenjörer på Stanford har hittat vägar kring utmaningarna för att producera de första full-wafer digitala logikstrukturerna baserade på kolnanorör.

Energieffektivitet är den största utmaningen som står i vägen för fortsatt miniatyrisering av elektroniska system, och miniatyrisering är den främsta drivkraften för halvledarindustrin. "När vi närmar oss de yttersta gränserna för Moores lag, dock, kisel måste bytas ut för att miniatyrisera ytterligare, sa Jeffrey Bokor, biträdande direktör för vetenskap vid Molecular Foundry vid Lawrence Berkeley National Laboratory och professor vid UC-Berkeley.

För detta ändamål, Kolnanorör (CNT) är en betydande avvikelse från traditionell kiselteknik och en mycket lovande väg för att lösa utmaningen med energieffektivitet. CNT är cylindriska nanostrukturer av kol med exceptionella elektriska, termiska och mekaniska egenskaper. Nanorörskretsar skulle kunna ge en tiofaldig förbättring av energieffektiviteten jämfört med kisel.

Stanford-teamets arbete presenterades nyligen som en inbjuden tidning vid det prestigefyllda International Electron Devices Meeting (IEDM) samt som ett "keynote paper" i den högt ansedda IEEE-transaktioner på datorstödd design av integrerade kretsar och system .

Tidigt löfte

När de första rudimentära nanorörstransistorerna demonstrerades 1998, forskare föreställde sig en ny tid av mycket effektiva, avancerad datorelektronik. Det löftet, dock, är ännu inte realiserat på grund av stora materiella brister i nanorör som fick ingenjörer att undra om CNT någonsin skulle visa sig vara livskraftigt.

Under de senaste åren, ett team av Stanford ingenjörsprofessorer, doktorander, studenter, och gymnasiepraktikanter, ledd av professorerna Subhasish Mitra och H.-S. Philip Wong, antog utmaningen och har producerat en serie genombrott som representerar de mest avancerade dator- och lagringselementen som hittills skapats med hjälp av CNT.

"De första CNT:erna förundrade forskarsamhället med sin exceptionella elektriska, termiska och mekaniska egenskaper för över ett decennium sedan, men detta senaste arbete på Stanford har gett den första glimten av deras förmåga att komplettera CMOS-transistorer av kisel, sa Larry Pileggi, Tanoto professor i el- och datateknik vid Carnegie Mellon University och chef för Focus Center Research Program Center för krets- och systemlösningar.

Stora hinder

Även om det har gjorts betydande prestationer i CNT-kretsar under åren, de har kommit mestadels på singel-nanorörsnivå. Åtminstone två stora hinder kvarstår innan CNT:er kan utnyttjas i tekniker med praktisk effekt:För det första, "perfekt" anpassning av nanorör har visat sig nästan omöjligt att uppnå, införa skadliga ströledande banor och felaktig funktionalitet i kretsarna; andra, närvaron av metalliska CNT (i motsats till mer önskvärda halvledande CNT) i kretsarna leder till kortslutning, överdrivet strömläckage och känslighet för buller. Ingen CNT-syntesteknik har ännu producerat uteslutande halvledande nanorör.

"Kolnanorörstransistorer är attraktiva av många skäl som grund för täta, energieffektiva integrerade kretsar i framtiden. Men, bärs av kemi, de kommer med unika utmaningar när vi försöker anpassa dem till mikroelektronik för första gången. Främst bland dem är variationen i deras placering och deras elektriska egenskaper. Stanford-arbetet, som tittar på att designa kretsar med hänsyn till sådan variation, är därför ett oerhört viktigt steg i rätt riktning, "Supratik Guha, Direktör för avdelningen för fysikaliska vetenskaper vid IBM Thomas J. Watson Research Center.

"Det här är ett mycket intressant och kreativt arbete. Även om det är många svåra utmaningar framför oss, Wong och Mitras arbete gör goda framsteg när det gäller att lösa några av dessa utmaningar, "tillade Bokor.

Att inse att bättre processer ensamma aldrig kommer att övervinna dessa ofullkomligheter, Stanfords ingenjörer lyckades kringgå barriärerna med hjälp av ett unikt imperfektionsimmun designparadigm för att producera de första digitala logikstrukturerna i full wafer-skala någonsin som är opåverkade av feljusterade och felplacerade CNT:er. Dessutom, de tog upp utmaningarna med metalliska CNT:er med uppfinningen av en teknik för att ta bort dessa oönskade element från deras kretsar.

Slående egenskaper

Stanfords designmetod har två slående egenskaper genom att den offrar praktiskt taget ingen av CNTs energieffektivitet och den är också kompatibel med befintliga tillverkningsmetoder och infrastruktur, driver tekniken ett betydande steg mot kommersialisering.

"Denna transformativa forskning görs desto mer lovande av det faktum att den kan samexistera med dagens vanliga kiselteknologier, och utnyttja dagens infrastruktur för tillverkning och systemdesign, tillhandahålla det avgörande kännetecknet för ekonomisk lönsamhet, " said Betsy Weitzman of the Focus Center Research Program at the Semiconductor Research Corporation

The engineers next demonstrated the possibilities of their techniques by creating the essential components of digital integrated systems:arithmetic circuits and sequential storage, as well as the first monolithic three-dimensional integrated circuits with extreme levels of integration.

"Many researchers assumed that the way to live with imperfections in CNT manufacturing was through expensive fault-tolerance techniques. Through clever insights, Mitra and Wong have shown otherwise. Their inexpensive and practical methods can significantly improve CNT circuit robustness, and go a long way toward making CNT circuits viable, " said Sachin S. Sapatnekar, Editor-in-Chief, IEEE Transactions on CAD . "I anticipate high reader interest in the paper, " Sapatnekar noted.