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纳米碳管场效晶体管

  • 林育中

纳米碳管被用于场效晶体管的是用来做通道,图为电子显微镜下碳管微计算机芯片体的场效应画面。Aidar Kemelbay

第一个纳米碳管场效晶体管(Carbon Nanotube FET;CNFET)原型在1998年成功做出,2000年初我在此写了一篇介绍文章。然后倏然20年过去,第一个可以用量产化方法制造的样品姗姗然问世,文章发表于8月底的《Nature》上。

我在诸种原子中最钟情于碳。它的结构简单,所以对称性极髙;又有点结构,不致于简单到索然无味。因为对称性高,所以物性可以发挥到极致,譬如钻石的硬度。又因为它的对称性高,它的同素异构体(allotrope)很多:三维的有钻石和石墨(graphite),二维的有富勒烯(Fullerence;5个碳环和7个碳环交织成一个球状体,C60)、纳米碳管(carbon nanotube),以及后来成为平面二维材料始祖的石墨烯(graphene)。最近还发现一个一维的结构环状cyclo(18)carbon,基本上是18个碳原子交错以单键、3键形成的碳环。碳原子的世界不知道还要带来多少惊奇。

纳米碳管基本上可以想象是以一张石墨烯卷起来形成的中空圆柱状结构。由于卷的角度不同,卷出的纳米碳管性质也有所不同。它的直径最小的可以有0.3nm,用于晶体管的在1~2nm之间。它的传导性质可以是金属,或者能带隙在2eV以下的半导体,因此可用于晶体管制作的材料。它的导电、导热性质都极佳,金属性质的纳米碳管导电性比铜甚至高1000倍。它的导电性还有一个有利的特性:导电方向与圆柱轴心是同向的,横切方向的电阻很大。

纳米碳管被用于场效晶体管的是用来做通道,上述的好处几乎都用的著。导电性、导热性都好,热耗散就比较不是问题。电流在轴向传导,侧漏电流问题也小。只是上述的都是理论上的好处,做工程的却要面对所有的真实棘手状况。

CNFET有几个大挑战,是以花了这么多年才做出第一个工作样品。首先是虽然是要制造半导体性质的纳米碳管,但制作出的碳米碳管难免会杂有金属性质。这些金属性纳米碳管会漏电导致功耗,更影响逻辑运行的正确性。这个问题可以用设计的方法将缺陷密度降到可以接受的范围。

再来是有些纳米碳管会聚合(aggregate),像煮细面时几条细面纠缠在一起煮不开,但有清洗的工序可以除掉这些冗余。另外,一个CMOS需要p-CNFET与n-CNFET,而且二者的临界电压不能有太大的变异,这个问题可以用氧化物包裹CNFET隔绝外界的影响,并且调整CNFET与源极/漏极的金属接触获得控制。

经由这些工程手段,在6寸晶圆上制造了一个最近颇热门的RISC-V 32位元指令、16位元数据的微处理器,计有14,000个闸,它的热耗散比同等级的矽基芯片足足少了一个数量级。这是一个成功的测试芯片,用传统矽芯片制程验证了CNFET量产的可行性。

CNFET真的会上场吗?我高度怀疑。若在15、20年前,它的尺度对半导体产业尚有吸引力,但现在临界尺度已走向2、3纳米,纳米碳管怕是迟了。除了对热耗散极为严苛的应用外,主流的研发不会再拐弯到此一叉道。这里学到的一课是:技术讲究的不仅是可行性,时间点可能更为重要!

现为DIGITIMES顾问,1988年获物理学博士学位,任教于中央大学,后转往科技产业发展。曾任茂德科技董事及副总、普天茂德科技总经理、康帝科技总经理等职位。曾于 Taiwan Semicon 任咨询委员,主持黄光论坛。2001~2002 获选为台湾半导体产业协会监事、监事长。现在于台大物理系访问研究,主要研究领域为自旋电子学相关物质及机制的基础研究。