211service.com
IBM meldt doorbraak op koolstofnanobuistransistors
Decennialang heeft de halfgeleiderindustrie steeds meer siliciumtransistors op elke computerchip geplaatst om de prestaties gestaag te verbeteren, maar dat proces zal binnenkort zijn fysieke grenzen bereiken. Nu zeggen onderzoekers van IBM dat een grote technische doorbraak reden geeft om optimistisch te zijn dat een veelbelovend alternatief voor siliciumtransistors - koolstofnanobuistransistors - op tijd klaar zal zijn om de plaats van silicium in te nemen.
Deze gekleurde microfoto toont verschillende transistors gemaakt van een enkele koolstofnanobuis. De gele balken zijn metalen elektroden van verschillende afmetingen, en de vage verticale lijn op ongeveer een derde van de rechterkant van de afbeelding is de nanobuis.
Koolstofnanobuisjes, kleine cilinders gemaakt van opgerolde, atoomdikke vellen koolstof, hebben zeer aantrekkelijke elektrische en thermische eigenschappen en zouden in theorie de basis kunnen vormen van circuits die veel sneller en energiezuiniger zijn dan de huidige silicium. Maar verschillende grote fabricage-uitdagingen staan commerciële apparaten op basis van nanobuistransistors in de weg. De IBM-onderzoekers zeggen dat ze uitgezocht hoe een ervan te overwinnen: hoe nanobuisjes te combineren met de metalen contacten die elektrische stroom leveren.
Nanobuistransistors zijn een veelbelovend alternatief omdat ze bij zeer kleine afmetingen efficiënter zijn dan siliciumtransistors. Maar vroege demonstratie-apparaten op basis van nanobuisjes (zie The First Nanotube Computer ) hadden orden van grootte minder transistors dan nodig zijn voor een commercieel apparaat, en ze hebben relatief grote metalen contacten gebruikt. Een commercieel levensvatbare chip voor een goed presterende computer zou miljarden transistors nodig hebben, en de contacten zouden een stuk kleiner moeten zijn. Dat is een dilemma, want op deze schaal veranderen de elektrische eigenschappen van het metaal en is het moeilijker om stroom in de transistors te krijgen om ze te schakelen. Hoe kleiner de contacten worden, hoe erger dit probleem wordt.
De onderzoekers hebben het probleem aangepakt door de interface tussen een nanobuis en de twee metalen contacten te veranderen. In plaats van ze bovenop de buis te deponeren, zoals in het conventionele schema voor het bouwen van nanobuistransistors, plaatsten ze ze aan de uiteinden van de buis en lieten ze reageren met de koolstof om een andere chemische verbinding te vormen. Met behulp van deze techniek toonde de groep aan dat contacten van minder dan 10 nanometer lang de prestaties niet in gevaar brachten. (De hoogwaardige siliciumchips van tegenwoordig hebben functies van 14 nanometer.)
Het succes van de nieuwe methode betekent dat het vermogen om stroom te leveren aan koolstofnanobuistransistors nu onafhankelijk is van de lengte van de metalen contacten, zegt Wilfried Haensch, die het nanobuisjesproject van IBM Research leidt. Het is nu duidelijk dat ze de transistors zo klein kunnen maken als nodig is, zegt hij, en dit is een grote stap in de richting van het doel van het bedrijf om tegen 2020 koolstofnanobuistechnologie gereed te hebben (zie IBM: Commercial Nanotube Transistors Are Coming Soon).
Er blijven aanzienlijke uitdagingen, erkent Haensch. Hij zegt dat het recente werk slechts een van de drie grote hindernissen overwint die commercieel levensvatbare koolstofnanobuistransistors in de weg staan. Een andere is dat nanobuisjes in twee vormen bestaan, metallisch en halfgeleidend, maar alleen de halfgeleidende zijn bruikbaar voor transistors. Ingenieurs moeten aanzienlijk beter worden in het scheiden van metalen buizen van halfgeleidende buizen. De tweede resterende uitdaging is het ontwikkelen van een betrouwbare, niet-lithografische manier om miljarden nanobuisjes precies daar te plaatsen waar ze nodig zijn op een chip.
Er is veel vooruitgang geboekt met het scheidingsprobleem, zegt Michael Arnold , een professor in materiaalkunde en techniek aan de Universiteit van Wisconsin, die niet betrokken was bij het onderzoek. Het nieuwe resultaat van IBM vertegenwoordigt een fantastische strategie om het contactprobleem aan te pakken, zegt hij, hoewel hij erop wijst dat de onderzoekers tot nu toe alleen hebben aangetoond dat het werkt voor een van de twee typen transistors die nodig zijn om complementaire logische functies uit te voeren. Als het gaat om het uitlijnen van nanobuisjes op de chip, moet er echter nog veel werk worden verzet als de technologie silicium echt moet verdringen, zegt Arnold.