ترانزیستورهای نانولوله کربنی ، از جهش آزمایشگاهی به کف کارخانه می روند

ترانزیستورهای نانولوله کربنی گامی نزدیکتر به واقعیت تجاری است ، اکنون که محققان MIT نشان داده اند که می توان دستگاه ها را با سرعت در امکانات تجاری ساخت ، با همان تجهیزات مورد استفاده در ساخت ترانزیستورهای مبتنی بر سیلیکون که ستون فقرات صنعت محاسبات امروزی است.

ترانزیستورهای اثر میدان نانولوله کربنی یا CNFET نسبت به ترانزیستورهای تأثیر میدان سیلیکونی از نظر انرژی بسیار کارآمدتر هستند و می توان از آنها برای ساخت انواع جدید ریزپردازنده های سه بعدی استفاده کرد. اما تاکنون ، آنها بیشتر در فضایی "حرفه ای" وجود داشته اند ، که در آزمایشگاه های دانشگاهی به مقدار کمی ساخته شده اند.

با این حال ، در مطالعه ای که در اول ژوئن در Nature Electronics منتشر شده است ، دانشمندان نشان می دهند که چگونه می توان CNFET را در مقادیر زیادی بر روی ویفرهای 200 میلیمتری تولید کرد که استاندارد صنعت در طراحی تراشه های رایانه ای است. CNFET ها در یک مرکز تولید تجاری سیلیکون و یک ریخته گری نیمه هادی در ایالات متحده ایجاد شده اند.

پس از تجزیه و تحلیل تکنیک رسوب مورد استفاده در ساخت CNFET ، Max Shulaker ، استادیار MIT در مهندسی برق و علوم رایانه و همکارانش تغییراتی را برای سرعت بخشیدن به روند ساخت بیش از 1100 بار در مقایسه با روش معمولی ایجاد کردند ، در حالی که همچنین کاهش هزینه تولید. این تکنیک نانولوله‌های کربنی را به لبه تا لبه بر روی ویفرها رسوب کرده است ، با 14،400 در 14،400 CFNET های Arif در سراسر ویفرهای مختلف توزیع شده است.

شولاکر که از دکتری خود CNFET را طراحی می کند. روزها می گوید ، این مطالعه جدید نشان دهنده "گامی بزرگ به جلو است ، تا این جهش را به سمت مراکز تولیدی سوق دهد."

او می افزاید: ایجاد اختلاف بین آزمایشگاه و صنعت چیزی است که محققان "غالباً فرصتی برای انجام آن نمی گیرند." "اما این یک آزمایش مهم لمس برای فن آوری های نوظهور است."

سایر محققان MIT در این مطالعه شامل نویسنده اصلی Mindy D. Bishop ، دکترای تخصصی هستند. دانشجو در برنامه علوم و فن آوری بهداشت دانشگاه هاروارد-میت ، به همراه گیج هیلز ، تاتاگاتا سریمانی و کریستین لاو.

حل مسئله اسپاگتی

برای چندین دهه ، پیشرفت در تولید ترانزیستور مبتنی بر سیلیکون باعث کاهش قیمت و افزایش راندمان انرژی در محاسبات شده است. این روند ممکن است به پایان خود نزدیک شود ، با این حال ، به نظر نمی رسد که تعداد فزاینده ترانزیستورهای بسته بندی شده در مدارهای مجتمع ، بازده انرژی را با نرخهای تاریخی افزایش می دهد.

Shulaker می گوید CNFET یک تکنولوژی جایگزین جذاب است زیرا آنها "نسبت به ترانزیستورهای مستقر در سیلیکون" در حدود یک مقدار قدرتی انرژی بیشتری دارند ".

 
برخلاف ترانزیستورهای مبتنی بر سیلیکون ، که در دمای حدود 450 تا 500 درجه سانتیگراد ساخته می شوند ، CNFET ها نیز می توانند در دماهای نزدیک به اتاق تولید شوند. Shulaker توضیح می دهد: "این بدان معنی است که شما می توانید در واقع لایه هایی از مدارها را درست در بالای لایه های مدارهای ساخته شده قبلی ایجاد کنید تا یک تراشه سه بعدی ایجاد شود." "شما نمی توانید این کار را با فناوری مبتنی بر سیلیکون انجام دهید ، زیرا لایه ها را در زیر آن ذوب می کنید."

او می گوید یک تراشه رایانه ای 3 بعدی ، که ممکن است عملکرد منطق و حافظه را با هم ترکیب کند ، پیش بینی می شود "عملکرد یک تراشه 2-D پیشرفته ساخته شده از سیلیکون به دستور بزرگی را شکست".

یکی از موثرترین راههای ساخت CFNET در آزمایشگاه ، روشی برای رسوب نانولوله ها به نام جوجه کشی است ، جایی که یک ویفر در حمام نانولوله ها فرو می رود تا زمانی که نانولوله ها به سطح ویفر بچسبند.

بیشوپ می گوید ، عملکرد CNFET تا حد زیادی توسط فرآیند رسوبگذاری دیکته شده است ، که هم بر تعداد نانولوله های کربنی روی سطح ویفر و هم جهت گیری آنها تأثیر می گذارد. او می گوید: "آنها یا در جهت های تصادفی مانند اسپاگتی پخته شده یا همه در یک جهت مانند اسپاگتی های پخته نشده هنوز در بسته قرار گرفته اند ، روی ویفر گیر می کنند."

تراز کردن نانولوله‌ها کاملاً در CNFET منجر به عملکرد ایده آل خواهد شد ، اما دستیابی به این کار دشوار است. بیشوپ توضیح می دهد: "قرار دادن میلیارد ها نانولوله کوچک به قطر 1 نانومتر در یک جهت کامل در یک ویفر بزرگ 200 میلی متری بسیار دشوار است." "برای قرار دادن این مقیاسها در طول ، به نظر می رسد سعی کنید کل ایالت نیوهمپشایر را در اسپاگتی خشک کاملاً جهت دار بپوشانید."

روش جوجه کشی ، اگرچه برای صنعت کاربردی است ، به هیچ وجه نانولوله ها را تراز نمی کند. بیشوپ می گوید ، آنها روی ویفر بیشتر شبیه به اسپاگتی پخته شده ، که محققان در ابتدا فکر نمی کردند عملکرد CNFET به اندازه کافی بالایی داشته باشد ، استفاده می کنند. با این وجود پس از آزمایشات خود ، او و همکارانش به این نتیجه رسیدند که فرآیند جوجه کشی ساده برای تولید CNFET که می تواند از ترانزیستور مبتنی بر سیلیکون فراتر رود ، مؤثر است.

CNFET فراتر از لیوان

مشاهدات دقیق در مورد فرآیند جوجه کشی به محققان نشان داد که چگونه این روند را تغییر دهند تا این امر برای تولید صنعتی مناسب تر شود. به عنوان مثال ، آنها دریافتند که دوچرخه سواری خشک ، روشی برای خشک کردن متناوب ویفر غوطه ور ، می تواند زمان جوجه کشی را از 48 ساعت به 150 ثانیه به طور چشمگیری کاهش دهد.

روش جدید دیگری به نام ACE (غلظت مصنوعی از طریق تبخیر) به جای فرو بردن ویفر در مخزن ، مقادیر کمی از محلول نانولوله را روی ویفر قرار می دهد. تبخیر آهسته محلول باعث افزایش غلظت نانولوله های کربن و تراکم کلی نانولوله های سپرده شده بر روی ویفر می شود.

بیشوپ می گوید: این تغییرات قبل از اینکه این فرایند در یک مقیاس صنعتی محاکمه شود ، ضروری است: "در آزمایشگاه ما خوب است که اجازه دهیم یک ویفر برای یک هفته در یک لیوان بنشیند ، اما برای یک شرکت ، چنین چیزی را ندارند. لوکس."

او می گوید ، "آزمایش های بسیار ساده" که به آنها در درک و بهبود روش جوجه کشی کمک کرده است ، "واقعاً مهم است برای پرداختن به نگرانی هایی که شاید دانشگاهیان نداشته باشند ، اما مطمئناً صنعت وقتی که می خواهند فرایند جدیدی را تنظیم کنند ، حل می شود. "

محققان با ساخت دستگاههای آنالوگ ، یک مرکز تولید سیلیکون تجاری و SkyWater Technology ، یک کارخانه تولید نیمه هادی ، برای ساختن CNFET ها با استفاده از روش بهبود یافته همکاری کردند. آنها توانستند از همان تجهیزاتی استفاده کنند که این دو تجهیزات برای ساخت ویفرهای مبتنی بر سیلیکون استفاده می کنند ، ضمن اینکه اطمینان حاصل کردند که راه حل های نانولوله از شرایط شیمیایی و آلاینده های سختگیرانه امکانات برخوردار هستند.

بیشاپ با بیان اینکه این مشارکت به آنها کمک می کند تا یک فرآیند اتوماتیک ، با حجم بالا و کم هزینه را توسعه دهند ، گفت: "ما بسیار خوش شانس بودیم که با همکاران صنعت خود نزدیک شویم و در مورد الزامات آنها بیاموزیم و توسعه خود را با استفاده از آنها کاهش دهیم."

Shulaker می افزاید: این دو تعهد "تعهد جدی به تحقیق و توسعه و کاوش در لبه" فن آوری های نوظهور را نشان دادند.

مراحل بعدی ، که در حال حاضر در حال انجام است ، ساخت انواع مختلف مدارهای یکپارچه از CNFET در یک مکان صنعتی و کشف برخی از عملکردهای جدید است که یک تراشه 3 بعدی می تواند ارائه دهد. "هدف بعدی این است که این انتقال از جالب توجه دانشگاهی به چیزی باشد که توسط افراد مورد استفاده قرار گیرد. من فکر می کنم این یک گام بسیار مهم در این جهت است."