Ученые корпорации IBM продемонстрировали новый подход к углеродным нанотехнологиям, который открывает возможность для коммерческого производства гораздо более компактных, быстрых и мощных компьютерных чипов. Впервые свыше десяти тысяч рабочих транзисторов, созданных на основе наноразмерных углеродных трубок, были размещены и протестированы в одном чипе с использованием стандартных полупроводниковых технологических процессов. Эти углеродные устройства готовы заменить – и превзойти – свои кремниевые аналоги, давая возможность осуществить дальнейшую миниатюризацию компьютерных компонентов и, тем самым, управляя развитием будущей микроэлектроники.
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.
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, 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. Такие 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.
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.