麻省理工学院：碳纳米管晶体管实现了从实验室到工厂的飞跃
既然麻省理工学院的研究人员已经证明，碳纳米管晶体管可以在商业设施中快速制造，使用的设备与制造硅基晶体管的设备相同，而硅基晶体管是当今计算工业的支柱，那么碳纳米管晶体管就离商业现实又近了一步。
碳纳米管场效应晶体管(CNFET)比硅场效应晶体管更节能，可以用来制造新型的三维微处理器。但到目前为止，它们大多存在于“手工”空间中，在学术实验室里少量制作。
然而，在6月1日发表在“自然电子学”(Nature Electronics)上的一项研究中，科学家们展示了如何在200毫米厚的晶片上大量制造CNFET，这是计算机芯片设计的行业标准。CNFET是在美国的一家商业硅制造工厂和一家半导体铸造厂制造的。
在分析了制造CNFET所使用的沉积技术之后，麻省理工学院电气工程和计算机科学助理教授Max Shulaker和他的同事们做出了一些改变，与传统方法相比，制造过程加快了1100多倍，同时还降低了生产成本。这项技术在晶片上边对边地沉积了碳纳米管，14,400×14,400个阵列CFNET分布在多个晶片上。
舒勒克从博士时代起就开始设计CNFET，他说这项新研究代表着“迈向生产级设施的一大步”。
他补充说，弥合实验室和工业之间的鸿沟是研究人员“经常没有机会做的”。“但这是对新兴技术的重要试金石。”
这项研究的其他麻省理工学院研究人员包括主要作者明迪·D·毕晓普(Mindy D.Bishop)，他是哈佛-麻省理工学院健康科学与技术项目的博士生，以及盖奇·希尔斯(Gage Hills)、如来·斯里马尼(Tathagata Srimani)和克里斯蒂安。
几十年来，硅基晶体管制造的改进降低了价格，提高了计算能效。然而，这种趋势可能已经接近尾声，因为越来越多的晶体管被封装到集成电路中，似乎并没有以历史的速度提高能效。
舒拉克说，CNFET是一项有吸引力的替代技术，因为它们比硅基晶体管“能效高一个数量级左右”。
与在450至500摄氏度左右制造的硅基晶体管不同，CNFET也可以在接近房间的温度下制造。舒拉克解释说：“这意味着你实际上可以在先前制造的电路层之上建造电路层，从而创建一个三维芯片。”“以硅为基础的技术不能做到这一点，因为你会熔化下面的层。”
他说，一种可能结合了逻辑和存储功能的3D计算机芯片预计将“比由硅制成的最先进的2D芯片的性能高出几个数量级”。
在实验室中建造CFNETs最有效的方法之一是一种名为孵化的纳米管沉积方法，即将晶片浸入纳米管的浴缸中，直到纳米管粘附在晶片表面。
毕晓普说，CNFET的性能在很大程度上取决于沉积过程，这既影响晶片表面碳纳米管的数量，也影响它们的取向。她说，它们“要么像煮熟的意大利面一样随意粘在晶片上，要么像包装中的未煮熟的意大利面一样都排在同一个方向上。”
在CNFET中将纳米管完美地对准可以获得理想的性能，但是很难获得对准。毕晓普解释说：“要将数十亿个直径为1纳米的微小纳米管以完美的方向铺设在一个200毫米的大晶片上真的很难。”“把这些长度的天平放在上下文中，就像试图用完美定向的干意大利面覆盖整个新罕布夏州。”
孵化法虽然在工业上是可行的，但根本不会使纳米管对齐。毕晓普说，它们最终在晶片上更像煮熟的意大利面，研究人员最初认为这不会带来足够高的CNFET性能。然而，在他们的实验之后，她和她的同事们得出结论，简单的孵化过程将产生一种性能优于硅基晶体管的CNFET。
对孵化过程的仔细观察向研究人员展示了如何改变这一过程，使其更适合工业化生产。例如，他们发现，干循环，一种间歇性干燥水下晶片的方法，可以极大地缩短孵化时间-从48小时减少到150秒。
另一种名为ACE(通过蒸发进行人工浓缩)的新方法是在晶片上沉积少量的纳米管溶液，而不是将晶片浸入水箱中。溶液的缓慢蒸发增加了碳纳米管的浓度和沉积在晶片上的纳米管的总密度。
毕晓普说：“在我们的实验室里，让晶圆在烧杯里放置一周是没有问题的，但对于一家公司来说，他们没有那种奢侈。”这些改变是必要的，然后才能在工业规模上进行试验。
她说，帮助他们理解和改进孵化方法的“极其简单的测试”“被证明对于解决学术界可能没有，但当他们考虑建立一个新的过程时，肯定有这样的担忧，真的很重要。”
研究人员与商业硅制造设施ADI公司和半导体铸造厂Skywater Technology合作，使用改进的方法制造CNFET。他们能够使用两家工厂用来制造硅基晶片的相同设备，同时还能确保纳米管溶液满足工厂严格的化学和污染要求。
毕晓普说：“我们非常幸运地与我们的行业合作者密切合作，了解他们的需求，并根据他们的投入重复我们的开发。”他指出，这种伙伴关系帮助他们开发了一个自动化、大批量和低成本的流程。
舒拉克补充说，这两个设施显示了对新兴技术研发和探索边缘的“认真承诺”。
我们很高兴能继续我们的工作，为CNFET的商业市场提供关键的基础设施。这一努力是将尖端先进计算制造业带回美国的关键举措。“Skywater总裁托马斯·桑德曼(Thomas Sonderman)说。
他说，已经在进行的下一步将是在工业环境中用CNFET制造不同类型的集成电路，并探索3D芯片可以提供的一些新功能。“下一个目标是让它从学术上的趣味性转变为人们可以使用的东西，我认为这是朝着这个方向迈出的非常重要的一步。”