Компьютер-Информ || Архив || Рубрики || Поиск || Подписка || Работа || О "КИ" || Карта


Нет предела совершенству


О.Андронова, А.Николаев


В статье Engineering Carbon Nanotubes and Nanotube Circuits Using Electrical Breakdown (журнал Science Vol. 292, Issue 5517 от 27 апреля) авторами (Phaedon Avouris, из IBM T.J. Watson Research Laboratory в Yorktown Heights, N.Y., Philip G. Collins, ранее работал в IBM, теперь в Covalent Materials в Emeryville, California и Michael S. Arnold, приглашенный в IBM из Университета в Illinois) сообщается, что исследователям из лаборатории IBM Nanoscale Science Research Department впервые удалось построить транзистор на основе углеродных нанотрубок цилиндрических структур из углеродных атомов, имеющих диаметр в 1 нанометр (размер в 10 атомов), и длиной в микроны.
Специалисты IBM и раньше изготавливали транзисторы из нанотрубок размером в 500 раз меньше, чем нынешние на основе кремния. А вот теперь им удалось найти способ, позволяющий сделать такое производство массовым.

В дальнейшем предстоит выяснить, смогут ли новые транзисторы заменить нынешние на основе кремния. Это важный этап в подборе материала для изготовления новых процессоров, которые должны прийти на смену кремниевым моделям, когда последние уже нельзя будет сделать меньше. Как полагают изготовители процессоров, с этой проблемой они столкнутся через 10-20 лет.

Исследователи заинтересовались углеродными нанотрубками из-за их электропроводности, которая оказалась выше, чем у всех известных проводников. Они также имеют прекрасную теплопроводность, стабильны химически, отличаются чрезвычайной механической прочностью (в 1000 раз крепче стали) и, что самое удивительное, приобретают полупроводниковые свойства при скручивании или сгибании. Для работы им придают форму кольца. Электронные свойства углеродных нанотрубок могут быть как у металлов либо как у полупроводников (в зависимости от ориентации углеродных многоугольников относительно оси трубки), т.е. зависят от их размера и формы. Полупроводниковые трубки имеют ширину запрещенной зоны, обратно пропорциональную их диаметру.

Существует 2 основных типа нанотрубок: одностенные нанотрубки (single-walled nanotubes SWNT), у которых одна оболочка из атомов углерода, и многостенные (multi-walled nanotubes MWNT), которые состоят из множества сгруппированных углеродных трубок. Нанотрубки склонны крепко слипаться между собой, формируя наборы или канат, состоящий из металлических и полупроводниковых нанотрубок.
Металлические проводящие ток нанотрубки могут выдерживать плотности тока в 102-103 раза выше, чем обычные металлы, а полупроводниковые нанотрубки можно электрически включать и выключать посредством поля, генерируемого электродом, что позволяет создавать полевые транзисторы. Однако до сих пор не удавалось ни синтезировать массив из только полупроводниковых нанотрубок, ни затем отделить металлические нанотрубки от полупроводниковых.

Это не позволяло использовать нанотрубки, т.к. только полупроводниковые нанотрубки можно применять как транзисторы. А когда они тесно связаны, действие металлических нанотрубок сильнее, чем полупроводниковых. Управлять каждой индивидуально было слишком долго и хлопотно. Специалистам IBM удалось найти способ пространственного разделения полупроводниковых и проводящих нанотрубок. Доработка технологии с целью довести ее до использования в промышленном масштабе, как сообщается, потребует около 3-лет.

Ученые из IBM разработали метод так называемого конструктивного разрушения, который позволил им разрушить все металлические нанотрубки и при этом оставить неповрежденными полупроводниковые. То есть они либо последовательно разрушают по одной оболочке в многостенной трубке (MWNT), либо выборочно разрушают металлические нанотрубки SWNT.
Вот как вкратце описывается этот процесс:

1.Слипшиеся канаты из металлических и полупроводниковых трубок помещают на подложку из окисла кремния.

2.Затем на подложку проектируется литографическая маска для формирования электродов (металлических прокладок) поверх нанотрубок. Эти электроды работают как переключатели для включения/выключения полупроводниковых нанотрубок.

3.Используя саму кремниевую подложку как электрод, ученые выключают полупроводниковые нанотрубки, которые просто блокируют прохождение любого тока через себя.

4.Металлические нанотрубки остались незащищенными. После чего к подложке прикладывается подходящее напряжение, разрушающее металлические нанотрубки, в то время как полупроводниковые нанотрубки остаются изолированными. В результате остается плотный массив неповрежденных работоспособных полупроводниковых нанотрубок транзисторов, которые можно использовать для создания логических цепей т. е. процессоров.

Теперь рассмотрим эти процессы подробнее. Различные оболочки MWNT могут иметь различные электрические свойства. В результате электронная структура и механизмы переноса электронов в MWNT различны. Эта сложность структуры позволяет выбирать и использовать только одну оболочку MWNT: ту, что имеет желанные свойства.

Разрушение многостенных нанотрубок происходит в воздухе при определенном уровне мощности, посредством быстрого окисления наружных углеродных оболочек. Во время разрушения ток, текущий через MWNT, изменяется пошагово, причем эти шаги с удивительной постоянностью совпадают с разрушением отдельной оболочки. Контролируя процесс удаления оболочек одну за другой, можно создавать трубки с желаемыми характеристиками внешней оболочки, металлической или полупроводниковой. Выбирая диаметр внешней оболочки, можно получить желаемую ширину запрещенной зоны.

Если для создания полевого транзистора используются канаты с одностенными нанотрубками (SWNT), то в них нельзя оставлять металлические трубки, т.к. они будут доминировать и определять транспортные свойства устройства, т.е. не дадут осуществить полевой эффект. Эта проблема также решается путем выборочного разрушения.

В отличие от MWNT, в тонком канате каждая SWNT может подсоединяться по отдельности к внешним электродам. Таким образом, канат с MWNT можно представить как независимые параллельные проводники с общей суммарной проводимостью, подсчитываемой по формуле
G(Vg) = Gm + Gs(Vg), где Gm создается металлическими нанотрубками, и Gs является зависимой от затвора проводимостью полупроводниковых нанотрубок. Кроме того, множество SWNT в канате контактируют с воздухом, потенциально окисляющей средой, поэтому множество трубок может быть разрушено одновременно, в отличие от случая с MWNT. И, наконец, SWNT в маленьком канате не защищают друг друга электростатически столь же эффективно, как концентрические оболочки MWNT.
В результате, управляющий электрод можно использовать для эффективного уменьшения переносчиков электрического тока (электронов или дырок) в полупроводниковых SWNT в канате. Это превращает полупроводниковые трубки в изоляторы. В этом случае окисление, вызванное током, можно направить только на металлические SWNT в канате.

Производство массивов полупроводниковых нанотрубок осуществляется просто: путем помещения канатов SWNT на окисленную подложку кремния, а затем набор из источника тока, заземления и изолированных электродов размещается литографическим способом на вершине канатов. Концентрация трубок предварительно выбрана таким образом, что в среднем только один канат замыкает источник и землю. При этом специальной ориентации нанотрубок не требуется. Нижний затвор (сама кремниевая подложка) используется для запирания полупроводниковых трубок, а затем прикладывается избыточное напряжение для разрушения металлических трубок в канате, что и создает полевой транзистор.

Применяя эту технологию выборочного разрушения, можно контролировать размер углеродной нанотрубки, что позволяет строить нанотрубки с заранее заданными электрическими свойствами, отвечающими требуемым характеристикам электронных устройств. Нанотрубки можно использовать как провода с наноразмерами или активные компоненты в электронных устройствах: например, как полевые транзисторы (транзисторы на основе полевого эффекта). Понятно, что в отличие от полупроводников на основе кремния, требующих создания проводников на основе алюминия или меди для соединения полупроводниковых элементов внутри кристалла, в этой технологии можно обойтись только углеродом.
Сегодня производители процессоров для увеличения частоты пытаются уменьшить длину каналов в транзисторах. Технология, предложенная IBM, позволяет успешно решить эту проблему при использовании углеродных нанотрубок в качестве каналов в транзисторах.

Описанная в статье технология может стать более крупным достижением в производстве полупроводников, чем в свое время переход от германия, как основы полупроводниковогопроизводства,к кремнию. Углеродная революция станет не просто следующим этапом развития вслед за кремниевой, а выведет полупроводниковые технологии на качественно новый уровень. Это даст нам новый класс микросхем гораздо меньшего размера и большей производительности. Применение им найдется буквально везде. Мы получим большие частоты при гораздо меньших размерах и гораздо меньшем энергопотреблении. Кроме того, скорее всего они будут более технологичны в производстве, т.к. не потребуют других материалов, кроме углерода.

Метод конструктивного разрушения


       КОМПЬЮТЕР-ИНФОРМ 
          Главная страница || Статьи 9'2001 || Новости СПб || Новости России || Новости мира

Рубрики || Работа || Услуги || Поиск || Архив || Дни рождения
О "КИ" || График выхода || Карта сайта || Подписка

Рассылка анонсов газеты по электронной почте

Главная страница

Сайт газеты "Компьютер-Информ" является зарегистрированным электронным СМИ.
Свидетельство Эл 77-4461 от 2 апреля 2001 г.
Перепечатка материалов без письменного согласия редакции запрещена.
При использовании материалов газеты в Интернет гиперссылка обязательна.

Телефон редакции (812) 718-6666, 718-6555.
Адрес: 196084, СПб, ул.Заставская, д.23, БЦ "Авиатор", 3-й этаж, офис 307
e-mail: editor@ci.ru
Для пресс-релизов и новостей news@ci.ru