Ученые IBM предпринимают первые шаги к коммерческому производству углеродных нанотрубок для замены кремния в микросхемах

Кремниевая микропроцессорная техника, благодаря стремительному прогрессу и непрерывным инновациям на протяжении более чем четырех десятилетий, постоянно уменьшилась в размерах и повышала свою производительность, стимулируя, в свою очередь, революционное развитие информационных технологий. Кремниевые транзисторы – крошечные коммутаторы, обеспечивающие передачу информации в чипе – с каждым годом становились все меньше, вплотную приближаясь к физическому переделу микроминиатюризации. Сверхмалые размеры кремниевых элементов, в настоящее время достигшие наномасштаба, начинают препятствовать повышению производительности вследствие структуры кремния и законов физики. В течение нескольких ближайших этапов классического уменьшения технологических норм потенциал дальнейшего снижения энергопотребления, уменьшения себестоимости и повышения быстродействия процессоров будет полностью исчерпан.

Углеродные нанотрубки представляют новый класс полупроводниковых материалов, электрические свойства которых являются более перспективными, чем у кремния, в частности, для создания наноразмерных транзисторных элементов, состоящих в сечении всего из несколько атомов. Электроны в углеродных транзисторах могут перемещаться с большей легкостью, чем в кремниевых устройствах, что позволяет быстрее передавать данные. Нанотрубки также идеально подходят по форме для транзисторов на атомарном уровне, что также является преимуществом по сравнению с кремнием. Все эти свойства служат одной из причин для замены традиционного кремниевого транзистора углеродным и, в сочетании с новыми архитектурными решениями чипа, предполагают возможность будущих инноваций в области микроэлектроники на наноразмерном уровне.

Подход, разработанный в исследовательской лаборатории IBM, открывает путь для производства чипов с большим числом транзисторов из углеродных нанотрубок, размещаемых точно в заданных позициях подложки. Способность обеспечивать диэлектрическую изоляцию полупроводниковых нанотрубок и размещать углеродные микроустройства на пластине с высокой плотностью «компоновки» имеет решающее значение для оценки их технологической пригодности – со временем для интеграции в одну коммерческую микросхему будет требоваться более миллиарда транзисторов. До сих пор, однако, ученым удавалось разместить не более нескольких сотен устройств из углеродных нанотрубок одновременно, что недостаточно для решения ключевых проблем коммерческого применения.

«Углеродные нанотрубки, впервые полученные химиками, в значительной степени воспринимались как лабораторный курьез, но не с точки зрения прикладного применения в микроэлектронике. Мы пытаемся делать первые шаги в разработке промышленной технологии, создавая транзисторы из углеродных нанотрубок в рамках стандартного техпроцесса и инфраструктуры производства кристаллических пластин-подложек, — подчеркнул Супратик Гуха (Supratik Guha), директор направления физических наук в IBM Research. — Работе с транзисторами из углеродных нанотрубок имеет практический смысл, потому что при сверхмалых размерах они превосходят по функциональным характеристикам транзисторы, сделанные из любого другого материала. Тем не менее, существуют определенные проблемы, которые необходимо решать, в частности, такие как сверхвысокая химическая чистота (беспримесность) вещества углеродных нанотрубок и чрезвычайно точное, тщательно рассчитанное размещение на подложке на наноуровне. Мы достигли значительного прогресса в решении обеих этих проблем».

Углеродные нанотрубки, первоначально исследовавшиеся физиками вследствие их атомарных размеров и формы, сегодня изучаются учеными во всем мире на предмет прикладного применения в областях, охватывающих интегральные микросхемы, системы хранения и преобразования энергии, биомедицинские датчики и методы секвенирования ДНК.

Информация о научно-техническом прорыве ученых IBM опубликована сегодня в рецензируемом экспертами журнале Nature Nanotechnology.

Путь к применению углерода
Углерод, легкодоступный основной химический элемент – кристаллы из которого такие же твердые, как алмаз, и который в то же время столь мягок и пластичен, что из него делают грифели для карандашей – обладает реальным потенциалом для широкого и разнообразного применения в сфере информационных технологий.

Углеродные нанотрубки представляют собой «листы» углерода толщиной в несколько атомов, свернутые в трубку. Углеродные нанотрубки формируют основу транзисторного элемента, который по принципу функционирования будет, до известной степени, схож с современным кремниевым транзистором. Транзисторы из углеродных трубок могут заменить кремниевые транзисторы в микросхемах, применяемых в наших перегруженных данными серверах, высокопроизводительных компьютерах и сверхбыстрых смартфонах.

Ранее в этом году исследователи IBM продемонстрировали, что транзисторы из углеродных нанотрубок могут работать как великолепные микропереключатели (коммутаторы) на молекулярном уровне, в размерном масштабе менее десяти нанометров – это в 10000 раз тоньше человеческого волоса и менее половины от лучшей на сегодняшний день технологической нормы кремниевого полупроводникового производства. Проведенное всестороннее моделирование электронных схем позволяет предположить возможность улучшения производительности по сравнению с кремниевыми электронными схемами приблизительно в 5-10 раз.

Существует ряд практических проблем применения углеродных нанотрубок в коммерческом производственном процессе, в частности, связанных, как уже отмечалось выше, с химической чистотой вещества и размещением углеродных транзисторных элементов на подложке. Углеродные нанотрубки по своей природе сочетают, в большей или меньшей степени, металлические и полупроводниковые признаки, и, кроме того, их необходимо точно позиционировать на кристаллической пластине для формирования электронных схем. Для функционирования устройства пригодны только трубки с полупроводниковой «природой», что требует практически полного удаления трубок с признаками классического металла для предотвращения ошибок в цепях. Кроме того, для достижения высокого уровня интеграции чрезвычайно важна способность контролировать точное позиционирование элементов электронных схем из углеродных нанотрубок на подложке.

Для решения этих проблем ученые IBM разработали новый метод, основанный на ионообменной химии, который позволяет осуществлять точное и контролируемое размещение углеродных нанотрубок на подложке при высокой плотности компоновки – на два порядка большей, чем в предыдущих экспериментах. Теперь отдельные нанотрубки можно с контролируемой точностью позиционировать на кристалле чипа с показателем плотности около миллиарда на квадратный сантиметр.

Процесс начинается со смешивания углеродных нанотрубок с поверхностно-активным веществом – своего рода мылом – которое делает их растворимыми в воде. Подложка состоит из двух оксидов – химически модифицированного оксида гафния (HfO2), формирующего «канавки» на пластине, и оксида кремния (Si02), составляющего остальную часть пластины. Подложка погружается в раствор углеродных нанотрубок, и нанотрубки химически связываются с зонами оксида HfO2, тогда как остальная часть поверхности пластины остается чистой.

Опираясь на свой объединенный научный и инженерно-технический опыт, исследователи IBM сегодня в состоянии сформировать более десяти тысяч транзисторов из углеродных нанотрубок на одном чипе.

Более того, возможно быстрое экспресс-тестирование тысяч полупроводниковых углеродных наноустройств с использованием широкого спектра существующих инструментов для определения характеристик благодаря совместимости стандартных коммерческих процессов.

Поскольку эта новая методика размещения элементов на подложке может быть с легкостью реализована при использовании обычных химических веществ и существующего полупроводникового техпроцесса, это дает отрасли возможность работать с углеродными нанотрубками в гораздо большем масштабе и создавать новые инновации для углеродной микроэлектроники.