Wetenschappers van IBM hebben een nieuwe benadering van koolstofnanotechnologie gedemonstreerd die de weg vrijmaakt voor commerciële fabricage van aanzienlijk kleinere, snellere en krachtigere computerchips. Voor de eerste keer, meer dan tienduizend werkende transistors gemaakt van koolstofbuizen van nanoformaat zijn nauwkeurig geplaatst en getest in een enkele chip met behulp van standaard halfgeleiderprocessen. Deze koolstofapparaten zijn klaar om siliciumtechnologie te vervangen en beter te presteren, waardoor verdere miniaturisering van computercomponenten mogelijk wordt en de weg wordt geëffend voor toekomstige micro-elektronica.

Geholpen door snelle innovatie gedurende vier decennia, siliciummicroprocessortechnologie is voortdurend kleiner geworden en verbeterd in prestaties, daarmee de drijvende kracht achter de informatietechnologierevolutie. Silicium transistoren, kleine schakelaars die informatie op een chip dragen, jaar na jaar kleiner zijn gemaakt, maar ze naderen een punt van fysieke beperking. Hun steeds kleinere afmetingen, nu de nanoschaal bereikt, zal elke prestatiewinst vanwege de aard van silicium en de wetten van de fysica verbieden. Binnen een paar generaties, klassieke schaling en krimp zullen niet langer de aanzienlijke voordelen van een lager vermogen opleveren, lagere kosten en snellere processors waaraan de industrie gewend is geraakt.

Koolstofnanobuisjes vertegenwoordigen een nieuwe klasse van halfgeleidermaterialen waarvan de elektrische eigenschappen aantrekkelijker zijn dan die van silicium. met name voor het bouwen van transistorapparaten op nanoschaal met een diameter van enkele tientallen atomen. Elektronen in koolstoftransistors kunnen gemakkelijker bewegen dan in op silicium gebaseerde apparaten, waardoor gegevens sneller kunnen worden getransporteerd. De nanobuisjes zijn ook ideaal gevormd voor transistors op atomaire schaal, een voordeel ten opzichte van silicium. Deze kwaliteiten zijn enkele van de redenen om de traditionele siliciumtransistor te vervangen door koolstof - en in combinatie met nieuwe chipontwerparchitecturen - zullen computerinnovatie op miniatuurschaal voor de toekomst mogelijk worden.

De aanpak die is ontwikkeld in IBM-labs maakt de weg vrij voor circuitfabricage met grote aantallen koolstofnanobuistransistors op vooraf bepaalde substraatposities. Het vermogen om halfgeleidende nanobuisjes te isoleren en koolstofcomponenten met een hoge dichtheid op een wafer te plaatsen, is cruciaal om hun geschiktheid voor een technologie te beoordelen - uiteindelijk zullen er meer dan een miljard transistors nodig zijn voor toekomstige integratie in commerciële chips. Tot nu, wetenschappers zijn erin geslaagd om maximaal een paar honderd koolstofnanobuisjes tegelijk te plaatsen, lang niet genoeg om de belangrijkste problemen voor commerciële toepassingen aan te pakken.

"Koolstof nanobuisjes, voortgekomen uit de chemie, zijn grotendeels laboratoriumcuriosa geweest voor zover het micro-elektronische toepassingen betreft. We proberen de eerste stappen naar een technologie door koolstofnanobuistransistors te fabriceren binnen een conventionele infrastructuur voor waferfabricage, " zei Supratik Guha, Directeur Exacte Wetenschappen bij IBM Research. "De motivatie om aan koolstofnanobuistransistors te werken, is dat op extreem kleine nanoschaaldimensies, ze presteren beter dan transistors die van enig ander materiaal zijn gemaakt. Echter, er zijn uitdagingen om aan te pakken, zoals ultrahoge zuiverheid van de koolstofnanobuisjes en opzettelijke plaatsing op nanoschaal. In beide hebben we grote stappen gemaakt."

Oorspronkelijk bestudeerd voor de fysica die voortkomt uit hun atomaire afmetingen en vormen, koolstofnanobuisjes worden wereldwijd door wetenschappers onderzocht in toepassingen die geïntegreerde schakelingen omvatten, energieopslag en -conversie, biomedische detectie en DNA-sequencing.

Deze prestatie is vandaag gepubliceerd in het peer-reviewed tijdschrift Natuur Nanotechnologie .

De weg naar koolstof

Koolstof, een gemakkelijk verkrijgbaar basiselement waaruit kristallen zo hard als diamanten en zo zacht als het "lood" in een potlood zijn gemaakt, heeft brede IT-toepassingen.

Koolstofnanobuisjes zijn enkele atomaire lagen koolstof die in een buis zijn opgerold. De koolstofnanobuis vormt de kern van een transistorapparaat dat zal werken op een manier die vergelijkbaar is met de huidige siliciumtransistor, maar zal beter presteren. Ze kunnen worden gebruikt om de transistors in chips te vervangen die onze data-krakende servers aandrijven, goed presterende computers en ultrasnelle smartphones.

Eerder dit jaar, IBM-onderzoekers hebben aangetoond dat koolstofnanobuistransistors kunnen werken als uitstekende schakelaars bij moleculaire afmetingen van minder dan tien nanometer - het equivalent van 10, 000 keer dunner dan een streng mensenhaar en minder dan de helft van de grootte van de toonaangevende siliciumtechnologie. Uitgebreide modellering van de elektronische circuits suggereert dat een prestatieverbetering van ongeveer vijf tot tien keer mogelijk is in vergelijking met siliciumcircuits.

Er zijn praktische uitdagingen voor koolstofnanobuisjes om een ​​commerciële technologie te worden, met name, zoals eerder gezegd, vanwege de zuiverheid en plaatsing van de apparaten. Koolstofnanobuisjes komen van nature voor als een mix van metalen en halfgeleidende soorten en moeten perfect op het wafeloppervlak worden geplaatst om elektronische circuits te maken. Voor apparaatbediening, alleen het halfgeleidende soort buizen is nuttig, wat in wezen volledige verwijdering van de metalen vereist om fouten in circuits te voorkomen. Ook, om grootschalige integratie mogelijk te maken, het is van cruciaal belang om de uitlijning en de locatie van koolstofnanobuisjes op een substraat te kunnen regelen.

Om deze barrières te overwinnen, IBM-onderzoekers ontwikkelden een nieuwe methode op basis van ionenuitwisselingschemie die nauwkeurige en gecontroleerde plaatsing van uitgelijnde koolstofnanobuisjes op een substraat met een hoge dichtheid mogelijk maakt - twee ordes van grootte groter dan eerdere experimenten, waardoor de gecontroleerde plaatsing van individuele nanobuisjes met een dichtheid van ongeveer een miljard per vierkante centimeter mogelijk is.

Het proces begint met koolstofnanobuisjes gemengd met een oppervlakteactieve stof, een soort zeep waardoor ze oplosbaar zijn in water. Een substraat bestaat uit twee oxiden met geulen van chemisch gemodificeerd hafniumoxide (HfO ₂ ) en de rest van siliciumoxide (SiO ₂ ). Het substraat wordt ondergedompeld in de koolstof nanobuis-oplossing en de nanobuisjes hechten zich via een chemische binding aan de HfO ₂ regions while the rest of the surface remains clean.

By combining chemistry, processing and engineering expertise, IBM researchers are able to fabricate more than ten thousand transistors on a single chip.

Verder, rapid testing of thousands of devices is possible using high volume characterization tools due to compatibility to standard commercial processes.

As this new placement technique can be readily implemented, involving common chemicals and existing semiconductor fabrication, it will allow the industry to work with carbon nanotubes at a greater scale and deliver further innovation for carbon electronics.