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.