IBM-forskare har visat ett nytt tillvägagångssätt för kolnanoteknik som öppnar vägen för kommersiell tillverkning av dramatiskt mindre, snabbare och kraftfullare datorchips. För första gången, mer än tio tusen fungerande transistorer gjorda av nanostora rör av kol har exakt placerats och testats i ett enda chip med hjälp av standardhalvledarprocesser. Dessa kolenheter är redo att ersätta och överträffa kiselteknologi, vilket möjliggör ytterligare miniatyrisering av datorkomponenter och leder vägen för framtida mikroelektronik.

Med hjälp av snabb innovation under fyra decennier, kiselmikroprocessorteknologi har ständigt krympt i storlek och förbättrats i prestanda, och driver därmed den informationsteknologiska revolutionen. Kiseltransistorer, små switchar som bär information på ett chip, har gjorts mindre år efter år, men de närmar sig en punkt av fysisk begränsning. Deras allt mindre dimensioner, når nu nanoskalan, kommer att förbjuda alla prestandavinster på grund av kiselns natur och fysikens lagar. Inom ytterligare några generationer, klassisk skalning och krympning kommer inte längre att ge de betydande fördelarna med lägre effekt, lägre kostnad och högre hastighet processorer som industrin har vant sig vid.

Kolnanorör representerar en ny klass av halvledarmaterial vars elektriska egenskaper är mer attraktiva än kisel, speciellt för att bygga nanoskala transistorenheter som är några tiotals atomer tvärs över. Elektroner i koltransistorer kan röra sig lättare än i kiselbaserade enheter vilket möjliggör snabbare transport av data. Nanorören är också idealiskt formade för transistorer i atomär skala, en fördel gentemot kisel. Dessa egenskaper är bland skälen till att ersätta den traditionella kiseltransistorn med kol – och tillsammans med nya chipdesignarkitekturer – kommer det att möjliggöra datorinnovation i miniatyrskala för framtiden.

Tillvägagångssättet som utvecklats vid IBM-labb banar väg för kretstillverkning med ett stort antal kolnanorörstransistorer vid förutbestämda substratpositioner. Möjligheten att isolera halvledande nanorör och placera en hög densitet av kolenheter på en wafer är avgörande för att bedöma deras lämplighet för en teknologi – så småningom kommer mer än en miljard transistorer att behövas för framtida integration i kommersiella chips. Tills nu, forskare har kunnat placera högst några hundra kolnanorörsenheter åt gången, inte tillnärmelsevis tillräckligt för att ta itu med nyckelfrågor för kommersiella tillämpningar.

"Kolnanorör, baserad på kemi, har till stor del varit laboratoriekuriosa när det gäller mikroelektroniska tillämpningar. Vi försöker de första stegen mot en teknik genom att tillverka kolnanorörstransistorer inom en konventionell infrastruktur för tillverkning av wafer, " sa Supratik Guha, Direktör för fysikaliska vetenskaper på IBM Research. "Motivationen att arbeta med kolnanorörstransistorer är att vid extremt små nanoskaladimensioner, de överträffar transistorer gjorda av något annat material. Dock, det finns utmaningar att ta itu med såsom ultrahög renhet av kolnanorören och avsiktlig placering på nanoskala. Vi har tagit betydande framsteg i båda."

Ursprungligen studerad för fysiken som uppstår från deras atomära dimensioner och former, kolnanorör utforskas av forskare över hela världen i applikationer som spänner över integrerade kretsar, energilagring och omvandling, biomedicinsk avkänning och DNA-sekvensering.

Denna prestation publicerades idag i den peer-reviewade tidskriften Naturens nanoteknik .

Vägen till kol

Kol, ett lättillgängligt grundelement av vilket kristaller lika hårda som diamanter och lika mjuka som "bly" i en penna tillverkas, har omfattande IT-applikationer.

Kolnanorör är enkla atomark av kol som rullas ihop till ett rör. Kolnanoröret utgör kärnan i en transistorenhet som kommer att fungera på ett sätt som liknar den nuvarande kiseltransistorn, men kommer att prestera bättre. De kan användas för att ersätta transistorerna i chips som driver våra data-crunching-servrar, högpresterande datorer och ultrasnabba smarta telefoner.

Tidigare i år, IBM-forskare visade att kolnanorörstransistorer kan fungera som utmärkta switchar vid molekylära dimensioner på mindre än tio nanometer – motsvarande 10, 000 gånger tunnare än ett hårstrå av människohår och mindre än hälften så stort som den ledande silikonteknologin. Omfattande modellering av de elektroniska kretsarna tyder på att ungefär fem till tio gånger förbättring av prestanda jämfört med kiselkretsar är möjlig.

Det finns praktiska utmaningar för kolnanorör att bli en kommersiell teknik, särskilt, som tidigare nämnts, på grund av renheten och placeringen av enheterna. Kolnanorör kommer naturligt som en blandning av metalliska och halvledande arter och måste placeras perfekt på skivans yta för att göra elektroniska kretsar. För enhetsdrift, endast den halvledande typen av rör är användbara, vilket kräver väsentligen fullständigt avlägsnande av de metalliska rören för att förhindra fel i kretsar. Också, för att storskalig integration ska ske, det är avgörande att kunna kontrollera inriktningen och placeringen av kolnanorörsenheter på ett substrat.

För att övervinna dessa hinder, IBM-forskare utvecklade en ny metod baserad på jonbyteskemi som tillåter exakt och kontrollerad placering av inriktade kolnanorör på ett substrat med hög densitet - två storleksordningar större än tidigare experiment, möjliggör kontrollerad placering av enskilda nanorör med en densitet på cirka en miljard per kvadratcentimeter.

Processen börjar med kolnanorör blandat med ett ytaktivt ämne, en sorts tvål som gör dem lösliga i vatten. Ett substrat består av två oxider med diken gjorda av kemiskt modifierad hafniumoxid (HfO) ₂ ) och resten av kiseloxid (SiO ₂ ). Substratet blir nedsänkt i kolnanorörslösningen och nanorören fäster via en kemisk bindning till HfO ₂ områden medan resten av ytan förblir ren.

Genom att kombinera kemi, bearbetnings- och ingenjörsexpertis, IBM researchers are able to fabricate more than ten thousand transistors on a single chip.

Vidare, rapid testing of thousands of devices is possible using high volume characterization tools due to compatibility to standard commercial processes.

As this new placement technique can be readily implemented, involving common chemicals and existing semiconductor fabrication, it will allow the industry to work with carbon nanotubes at a greater scale and deliver further innovation for carbon electronics.