碳纳米管晶体管可能很快给衰弱的摩尔定律带来提振

长期以来，碳纳米管(CNTs)一直被吹捧为一种潜在的材料，可以让我们超越摇摇欲坠的硅芯片的限制，但事实证明，它们的制造很棘手。现在，科学家们已经展示了一种在商业硅加工厂中制造碳纳米管的方法。

从本质上说，碳纳米管是一种单原子厚的神奇材料石墨烯的卷起的薄片。它们是很好的半导体，而且载流子的传输速度非常快，这使得它们成为取代硅的一个有前途的选择，硅正开始达到基本的物理极限。

去年，由麻省理工学院的工程师领导的一个团队取得了新的突破，推出了一个由15,000个碳纳米管晶体管组成的16位微处理器，可以执行基本的计算机程序。该项目是DARPA资助的6100万美元项目的一部分，但尽管使用了行业标准的设计工艺，该芯片仍然是在研究实验室制造的，而不是使用工业工艺。

然而，现在，由许多相同的研究人员组成的一个团队已经开发出一种新的工艺，使使用标准设备在商业芯片制造设施中生产碳纳米管成为可能。他们在两个独立的工厂成功测试了新方法：由ADI公司运营的商业硅制造工厂和由Skywater Technology运营的大容量半导体铸造厂。

该团队通过调整最流行的制造碳纳米管晶体管的方法之一实现了这一点，在这种方法中，硅片被浸泡在碳纳米管的溶液中。这种方法以前实施的问题是，要在晶片上沉积足够的碳纳米管可能需要几天的时间，并且需要高度浓缩的溶液，这些溶液价格昂贵，而且随着溶液中的碳纳米管粘在一起的速度更快，降解速度也很快。

因此，研究人员对碳纳米管在晶片上沉积的过程进行了严格的分析，这一分析在“自然电子学”的一篇论文中进行了详细介绍。他们发现，这涉及到碳纳米管粘附在晶片上的速率和它们松动的速率之间的谨慎平衡。早期，晶片上的碳纳米管很少，所以沉积速率很高，但随着它们的积累，它们再次逃逸的速率会上升。

这导致沉积速率逐渐趋于平稳，直到两个过程达到平衡，碳纳米管的数量稳定下来。如果晶片随后从溶液中取出并干燥，沉积的碳纳米管就会留在原地。这促使研究小组设计了两种新的技术，可以减缓碳纳米管的松动速度，加快碳纳米管的沉积速度。

虽然以前的方法依赖于在溶液中长时间浸泡以确保沉积足够的碳纳米管，但研究人员改为在干燥的过程中进行了一系列10秒的浸泡。在每个循环中，沉积的碳纳米管被固定在适当的位置，下一次浸泡具有与刚浸泡的晶片一样的快速沉积速率。

他们还想出了另一种策略，不是将晶片浸泡在溶液中，而是将少量的溶液涂抹在晶片的表面。溶解碳纳米管的溶剂然后开始蒸发，增加了溶液的浓度，加快了沉积过程。

这两种技术可以并行运行，研究人员表明，它们可以将碳纳米管沉积过程从48小时加快到只有150秒。这是在商业设施中实现的，并设法将碳纳米管晶体管均匀分布在n个行业标准的200 mm晶片上。

这里有一些注意事项。输出的不是正在工作的计算机芯片，只是制作过程的演示，晶体管的栅长为130 nm，相当于2001年发布的芯片。新工艺的碳纳米管密度也仅为每微米约45个碳纳米管，远低于先前研究预测的200个碳纳米管的最佳密度。

然而，研究人员也对碳纳米管密度和芯片能效之间的关系进行了分析，发现即使在较低的密度下，节省的能量也是显著的。即使是25纳米的密度也将导致能效提高2.5倍，而从今天的7 nm硅工艺转移到下一代5 nm硅工艺预计会提高1.4倍。

虽然将这一突破转化为工作芯片还有很长的路要走，但这是迈向高性能CNT计算未来的重要一步。摩尔定律可能会在它最需要的时候给它打一针强心针。