IBM bugün "Bilim" alanında yeni bir atılım duyurdu! Karbon nanotüpler dünyanın en küçük transistörlerini yaratıyor. "Karbon vadisi" sonunda "silikon vadisinin" yerini alacak mı?
Bilgisayar nano çağa tam olarak girerken, mühendisler Moore Yasasına uymanın giderek zorlaştığını keşfettiler.
1965'te Intel'in kurucusu Gordon Moore, "Moore Yasası" nı önerdi, Yani, entegre bir devreye yerleştirilebilecek transistör sayısı yaklaşık olarak her 1-2 yılda bir ikiye katlanacak ve performans da ikiye katlanacaktır.
Moore Yasası 50 yıldan fazla bir süredir etkilidir, ancak mevcut endüstri tahmini, üç teknolojik güncellemeden sonra önümüzdeki 10-15 yıl içinde çip üretim sürecinin 5 nanometreye ulaşacağı yönündedir. Bu, tek bir transistörün kapısının uzunluğunun yalnızca 10 atom boyutunda olacağı anlamına gelir. . Bu temelde kırılmaya devam etmek neredeyse imkansızdır - teknik olarak konuşursak, tek bir atom büyüklüğünde bir transistör oluşturamazsınız.
Şekil Araştırmacılar tarafından hayal edilen tek atomlu bir transistörün kavramsal diyagramı
Ek olarak, Üretim maliyetleri nedeniyle, üreticiler artık proses teknolojisini geliştirmeye devam etmek istemeyecek , Çünkü mevcut çip hesaplama gücü temelde talebi karşılayabilir. Bu eğilim aslında uzun bir süredir analog çip pazarında ortaya çıktı ve birçok analog çip üreticisi, ürünlerini üretmek için beş yıl önceki süreci hala kullanıyor.
Dahası, mobil cihazlarda kullanılan WiFi yongaları gibi, 28 nanometre işlem teknolojisi yeterince iyidir ve 10 nanometre CMOS (tamamlayıcı metal oksit yarı iletken) sürecine geçmek için çok fazla araştırma ve geliştirme fonu harcamanıza gerek yoktur.
Moore Yasasının yaklaşan başarısızlığı hakkındaki son konuşmaların giderek daha popüler hale gelmesi tam da bu nedenlerden kaynaklanıyor. Silikon bazlı CMOS transistör üretim sürecini 50 yılı aşkın süredir kullanmak, Gelecekte uygun bir alternatif bulamazsak, gerçekten bir hesaplama darboğazıyla karşılaşabiliriz.
Bununla birlikte, neyse ki, bilim ve sanayi çevreleri de darboğaz döneminin yaklaştığını tahmin ettiler ve Moore Yasasının etkili olmaya devam etmesini sağlamak için çeşitli yollar bulmaya çalıştılar.
bu zaman, IBM'den araştırmacılar yeni bir çip üretim süreci buldular ve transistör yapımında kullanılan malzeme artık silikon değil, karbon nanotüpler. ! Araştırma sonuçları açıklandıktan sonra, "Science" dergisinin resmi web sitesi şöyle bir makale bile yayınladı: IBM bilim adamları dünyanın en küçük transistörünü karbon nanotüplere dayanarak yaptılar. "Silikon Vadisi" sonunda "Karbon Vadisi" olacak mı?
Şekil "Silikon Vadisi" eninde sonunda "Karbon Vadisi" olacak mı?
Konuya geri dön! IBM'den araştırmacılar yeni bir transistör üretim yöntemini duyurdu: Geleneksel silikon bazlı CMOS işleminin yerini almak için karbon nanotüpleri kullanın, Başlık " 40 nanometre ayak izine ölçeklenmiş karbon nanotüp transistörler "Araştırma raporu, bugün yayınlanan" Science "dergisinde de yayınlandı.
Aslında, bilim insanları sürekli olarak karbon nanotüp transistörlerini araştırıyorlar Bu, yalnızca 1 nanometre veya bir metrenin milyarda biri çapında boru şeklinde bir nano ölçekli grafit kristalidir.
Bununla birlikte, geleneksel silikon bazlı transistörlerin yerine karbon nanotüplerin kullanılmasındaki en büyük zorluk, İstenilen performans elde edilecekse, karbon nanotüplerin enine kesit çapının, mevcut silikon transistörlerden çok daha büyük olan yaklaşık 100 nanometreye ulaşması gerekir.
Şekil Karbon Nanotüpler
Bu sayıyı azaltmak için, IBM Thomas J. Watson Araştırma Merkezi'ndeki araştırma ekibi, akımın içeri ve dışarı aktığı karbon nanotüp kontaklarını oluşturmak için yeni bir teknoloji kullandı. Molibden metal, karbon nanotüplerin uçlarını doğrudan bağlamak için kullanılır, böylece hacmi azaltır.
Aynı zamanda bu bağlantıyı daha düşük sıcaklıklarda etkili kılmak için kobalt da eklediler. Prensip çok basittir Termal genleşme ve daralma nedeniyle, düşük sıcaklık kontaklar arasındaki boşluğu azaltabilir.
Araştırmada önemli bir konu da çözüldü, Kişiler arasında yeterince akım aktarımı bu şekilde . Araştırmacılar, bu sorunu, birkaç karbon nanotüpten oluşan nanotelleri, bitişik transistörler arasına paralel yerleştirerek çözdüler.
Sonunda, tüm transistörün pim alanı 40 nanometre kareye sıkıştırıldı. Bu sayı, geçtiğimiz on yılda Yarı İletkenler için Uluslararası Teknoloji Yol Haritası (ITRS) için yeni bir ölçüt haline geldi.
Ve sonraki testlerde, IBM araştırma ekibi, karbon nanotüp transistörlerini mevcut silikon transistörlerden daha hızlı ve daha verimli geliştirdi !
Şekil ITRS, dünyadaki beş büyük yarı iletken üretim ülkesinin ve bölgesinin ilgili dernekleri tarafından finanse edilen bir organizasyondur.En son araştırma raporu, transistörlerin 2021'de küçülmeye başlayacağına işaret ediyor. Şekildeki mavi eğri 2013 için tahmin ve kırmızı eğri 2015 için en son tahmin.
Transistör, kullanımı sayesinde bu kadar küçük bir boyuta küçültülebilir. Karbon nanotüpler, transistörler arasındaki kanallar olarak silikonun yerini alıyor . Karbon nanotüplerin kalınlığı sadece 1 nanometredir ve bu kalınlığın elektrostatik alanda önemli bir avantajı vardır, bu da kısa kanal etkisinin cihaz performansını olumsuz etkilemesine neden olmadan cihazın geçit uzunluğunu 10 nanometreye indirebilir.
Ek olarak, nanotüplerin bir başka faydası da Daha hızlı bir elektronik iletim hızına sahip olmak, kuşkusuz cihazın performansını artırmak için gereklidir.
Ek olarak, transistörlerin minyatürleştirilmesinin bir başka anahtarı da kullanımıdır. "Uç Nokta Bağlantı Teknolojisi" . Genel olarak konuşursak, transistörün metal kısmı, transistörün ana yarı iletken malzemesinin uzunlamasına yönü boyunca bağlanır ve uzun bir bağlanmış kısım ile sonuçlanır. IBM tarafından gösterilen uç nokta bağlantı teknolojisi, transistörün bağlama kısmının uzunluğunu büyük ölçüde azaltabilir: Direnci artırmadan 300 nanometreden yalnızca 10 nanometreye küçültün.
Şekil Karbon nanotüpleri kullanan cihaz modeli
IBM araştırmacıları, aygıtın güvenilirliğini sağlamak için karbon nanotüplerdeki metal parçaların termal kararlılığını ve karbon reaktivitesini de test etti. Ardından, cihazın geometrisini korumak için terminallerin hala yeterince düşük bir sıcaklıkta bağlanabilmesini sağlamak gerekir.
Bununla birlikte, düşük sıcaklıklarda kararlı bir bağlantı sağlamak da zor bir sorundur. Tekrarlanan deneylerden sonra, araştırmacılar şunu bulmuşlardır: Kobalt-molibden alaşımı, karbon nanotüp yapıştırmada beklenmedik avantajlara sahiptir:
Bir yandan molibden, alaşımın termal kararlılığını sağlayabilir; diğer yandan kobalt, nispeten düşük sıcaklıklarda bağlantı için bir katalizör görevi görür. İki metalin özelliklerini birleştirmek, karbon nanotüplerin metalleri bağlaması için gereken 650 santigrat derecelik yüksek sıcaklığı önleyebilir.
Bu kez IBM, "Science" dergisinde yayınlanan makalenin ortak yazarı, IBM Watson Araştırma Merkezi'nde araştırmacı ve aynı zamanda 2016 MIT Science and Technology Review "35 Yaş Altı 35 Yenilikçi" (MIT TR35) galibi Qing Cao, "Nanotüp uç teması elde etmek için düşük iş fonksiyonlu metal kullanmak çok zordur. Bununla birlikte, nanotüp kanallarını etkin bir şekilde uyuşturmak için bazı işlemler geliştirdik, bu nedenle yüksek iş fonksiyonlu metal uç temas durumunda bile Daha sonra, n kanallı cihazların çalışması da gerçekleştirilebilir. "
Şekil Cao Qing, IBM Watson Araştırma Merkezi'nde araştırmacı ve MIT TR35'in galibi
Doping yoluyla n-kanallı cihazların çalışmasını gerçekleştirmek için hala iyileştirme için çok yer olmasına rağmen, üst geçit yapılarına sahip cihazların beklenmedik avantajları vardır. Alt geçit yapısı ile karşılaştırıldığında, silikon transistörlerde kullanılan mevcut üst geçit cihaz yapısı, cihazlar arasında karmaşık bağlantılar elde etmek ve aynı zamanda daha yüksek cihaz entegrasyon yoğunluğu elde etmek için daha kolaydır.
Dolayısıyla kobalt-molibden alaşımı teması ile sonlanan nanotüp kanalına ek olarak, Nanotüpün tepesi ayrıca metal bir üst kapılı bir kapı dielektrik katmanı olarak ultra ince yüksek dielektrik oksit tabakasıyla kaplanmıştır. .
Şekil Tek bir karbon nanotüp transistörünün yapısı ve mikrografı
Elbette yepyeni bir teknoloji olarak Cao Qing, yüksek performanslı nanotüp mantık transistörlerinin gerçekten ticarileştirilmiş teknolojiler haline gelmeden önce, Hala çözülmesi gereken bazı işlem sorunları var .
Cao Qing dedi ki, Bu aşamadaki ana zorluk, cihazın kararlılığıdır, ancak sonunda ekip milyarlarca nanotüp transistörü işlevsel devrelere entegre etmeyi umuyor. Bunu yapmak için, ekibin transistörler arasında iyi bir tutarlılık sağlaması gerekir, böylece tüm transistörler aynı voltaj altında normal şekilde çalışabilir.
Şekil Geleneksel silikon tabanlı yarı iletken mantık geçidi üretim süreci ve pasifleştirme adımları
Geçtiğimiz birkaç yılda yarı iletken nanotüplerin saflığı önemli ölçüde iyileştirilmiş olsa da, güç açma testinden sonra saflığı % 99,999 Yukarıda, ancak gelecekte seri üretimin güvenilirliğini sağlamak için üretim sürecinin daha istikrarlı ve daha standart hale getirilmesi gerekiyor.
