IBM公司的T.J. WatsonWatson研究中心宣布開發(fā)出一款試驗(yàn)IC，其不同之處在于使用單分子納米管作為組成環(huán)路振蕩器的五個(gè)類似CMOS反相器的通用溝道。據(jù)稱，該款全集成器件比其它實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的快的基于納米管的電路還要快400,000倍，可以作為將納米晶體管集成到CMOS芯片生產(chǎn)的未來(lái)藍(lán)圖。
此前，IBM和其他公司已經(jīng)嘗試過(guò)將基于納米管的晶體管加入到標(biāo)準(zhǔn)CMOS電路中的實(shí)驗(yàn)，但所有實(shí)驗(yàn)都不得不退回到在原子力顯微鏡下進(jìn)行人工操作的方式，或者不得不采取異乎尋常的工藝步驟。但是，新的實(shí)驗(yàn)證明，通過(guò)在標(biāo)準(zhǔn)硅基底的合適位置植入納米管，然后利用標(biāo)準(zhǔn)光刻技術(shù)增加金屬層，可以實(shí)現(xiàn)全集成電路。該實(shí)驗(yàn)還證明，將納米管作為p型和n型晶體管溝道可以制造標(biāo)準(zhǔn)CMOS電路。
該試驗(yàn)建立在IBM于2001年發(fā)布的一項(xiàng)研究成果之上。當(dāng)時(shí)，IBM證明使用納米管能夠?qū)崿F(xiàn)的晶體管溝道尺寸可小至15埃（1.5nm），這個(gè)數(shù)字比今天的65nm硅IC工藝的小線寬還小40倍。“環(huán)路振蕩器試驗(yàn)是一個(gè)非常困難的項(xiàng)目，有許多棘手的工藝步驟，但是我們獲得了較以往研究人員更為突出的性能。”IBM公司研究員兼T.J. Watson研究中心納米級(jí)科學(xué)與技術(shù)研究項(xiàng)目經(jīng)理Phaedon Avouris說(shuō)，“環(huán)路振蕩器是研究如何化新IC工藝的標(biāo)準(zhǔn)途徑。我們正在實(shí)際IC中表征納米管作為一種電子材料的使用特性。”
在未來(lái)IC的各種器件中使用單分子納米管能夠簡(jiǎn)化生產(chǎn)，并能滿足適應(yīng)于碳納米管晶體管的商用CMOS工藝所需的各種嚴(yán)格的一致性要求，Avouris表示。
積極開發(fā)
“IBM從事的是一項(xiàng)正向開發(fā)，因?yàn)槲覀円呀?jīng)將納米管從晶體管級(jí)提升至電路級(jí)，這使得業(yè)界開始考慮系統(tǒng)級(jí)開發(fā)。”Gartner Dataquest的研究主管Dean Freeman表示。早期有關(guān)利用碳納米管晶體管構(gòu)建電路的各種努力，包括在斯坦福大學(xué)和荷蘭代爾夫特理工大學(xué)(Delft University of Technology)進(jìn)行的項(xiàng)目，都沒(méi)有實(shí)現(xiàn)全集成，而是借助外部連線將器件連接成一個(gè)電路。由于納米管的納米級(jí)溝道與毫米級(jí)導(dǎo)線的電流驅(qū)動(dòng)能力之間存在失配，所以先前這些嘗試所實(shí)現(xiàn)的性能僅達(dá)到200Hz。
“在80 MHz，IBM器件的性能并不是當(dāng)前的。”Avouris表示，“但是我們知道該如何從現(xiàn)在開始做到，因?yàn)樗杏嘞碌亩际枪こ虇?wèn)題。”
“我們首當(dāng)其沖應(yīng)該做的工作就是優(yōu)化當(dāng)前設(shè)計(jì)，以獲得或許0.5GHz的性能。”T.J. Watson研究中心的技術(shù)人員Joerg Appenzeller認(rèn)為，“而且就如何改變我們的設(shè)計(jì)從而達(dá)到幾百GHz的性能，我們也已經(jīng)制定了計(jì)劃。”
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圖1：用于反相器溝道的納米管與頭發(fā)絲進(jìn)行比較。 |
依據(jù)IBM的說(shuō)法，限制因素并不是能夠以高達(dá)1THz(1,000 GHz)速度開關(guān)的納米管，而是寄生電容。這些寄生電容是15埃寬的納米管與500納米寬電極之間超過(guò)300倍尺寸差距所造成的結(jié)果。
“由于從反相器到反向器的信號(hào)傳遞，必須對(duì)柵極相對(duì)較大的電容進(jìn)行充電。”Avouris說(shuō)，“這就限制了性能。但是我們知道如何通過(guò)縮小電極使寄生電容變小，并且我們正在重新規(guī)劃基本的碳納米晶體管設(shè)計(jì)，以獲得超低的寄生電容。”
IBM預(yù)計(jì)要花費(fèi)十年的時(shí)間來(lái)完成對(duì)標(biāo)準(zhǔn)CMOS芯片工藝的全部?jī)?yōu)化。但是，國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展路線(ITRS)預(yù)測(cè)，到2016年，CMOS線寬將縮減到20nm以下，這將減少硅片特征尺寸與碳納米管之間的失配。
環(huán)路振蕩器將奇數(shù)個(gè)反相器串聯(lián)在一起，并將一個(gè)反相器的輸出連接到整個(gè)電路的輸入端。奇數(shù)個(gè)反相器會(huì)使輸出狀態(tài)與輸入狀態(tài)相反(1或0)，所以對(duì)已知的設(shè)計(jì)和技術(shù)工藝而言，這樣會(huì)產(chǎn)生一個(gè)以盡可能快的速度運(yùn)行的不穩(wěn)定電路。
反相器由互補(bǔ)的n型和p型晶體管構(gòu)成，連接的柵極作為輸入，漏極作為輸出；n型和p型晶體管的源極分別連接到電源的負(fù)級(jí)和正級(jí)。當(dāng)一個(gè)正電壓輸入到反相器，p型晶體管關(guān)閉，n型晶體管導(dǎo)通，將輸入的正電壓反相為負(fù)電壓，傳送給下一個(gè)反相器。
IBM的個(gè)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)是研究如何實(shí)現(xiàn)n型和p型納米晶體管，其取得的成果，就描述了納米管可能存在的特殊工作區(qū)域。IBM早先已經(jīng)報(bào)道了通過(guò)摻雜納米管來(lái)制作n型和p型器件，但是新方法無(wú)需摻雜，而是利用納米管晶體管溝道較硅工藝而言的特殊操作區(qū)域。硅晶體管具有S形傳遞函數(shù)特性，在零電壓附近處于關(guān)閉狀態(tài)，在零電壓以上逐步上升(p型)，而在負(fù)電壓則逐步下降(n型)。導(dǎo)通后，硅晶體管會(huì)在高于或低于零的固定電壓點(diǎn)飽和。
相比之下，納米晶體管具有V形傳遞函數(shù)特性，在零電壓關(guān)閉，在正或負(fù)電壓導(dǎo)通。
所以，為了代替摻雜納米管來(lái)制造n型和p型晶體管，IBM對(duì)柵極使用不同的金屬，p型用鈀，而n型用鋁。這樣做改變了每個(gè)晶體管V形傳遞函數(shù)的“零”點(diǎn)，使其大約在0.7V以上，從而使傳輸函數(shù)看起來(lái)像個(gè)“W”，在繪制時(shí)，其中心分支是交迭的。之后，研究人員會(huì)利用上面提到的特殊區(qū)域，在同樣的碳納米管溝道下面對(duì)兩個(gè)V字進(jìn)行交叉，從而獲得傳統(tǒng)的n型和p型傳遞函數(shù)。
“我們對(duì)一個(gè)晶體管使用W的p分支，對(duì)另一個(gè)晶體管使用n分支。”Appenzeller介紹，“那才是我們真正引以為豪的地方，這樣做使我們避免了必須使用的納米管摻雜。”
“IBM必須克服的第二個(gè)主要障礙，是如何將僅有15埃寬和6微米長(zhǎng)的納米管作為環(huán)路振蕩器的5個(gè)CMOS反相器的溝道使用。單分子納米管特性在其全長(zhǎng)度上是一致的，通過(guò)使用該特性，IBM規(guī)避了這個(gè)先前一直阻礙基于納米管IC開發(fā)的難題。
作者: 羅克鈴