Интегральные схемы на УНТ

С момента создания первого полевого транзистора регулярно появлялись сообщения о разработке электронных устройств, включающих в себя относительно небольшое количество транзисторов и решающих частные задачи. Это, например, элементы, выполняющие логические функции, высокочастотные генераторы импульсов, детекторы электромагнитного излучения и т д. Для создания более сложных по набору выполняемых функций в интегральной схеме требуется сформировать тысячи и более транзисторов. В 2012 году представители компании IBM сообщили о том, что им удалось сделать большой шаг в направлении начала масштабного производства компьютерных микросхем, основу которых составляют транзисторы на УНТ. Используя стандартные технологии производства полупроводниковых приборов, исследователями компании удалось создать однокристальные схемы, которые состояли из более десятка тысяч «нанотрубочных» транзисторов.

До недавнего времени ученым удавалось точно разместить всего лишь сотни УНТ на поверхности кристалла микросхемы, чего явно недостаточно для реализации сложных электронных схем современных микропроцессоров. Поэтому, прорыв, сделанный исследователями IBM, открывает дорогу началу производства и применения чипов с большим количеством транзисторов из УНТ.

Использование УНТ связано с массой проблем, первая из которых заключается в получении нанотрубок высокой чистоты и заданных размеров. Второй проблемой, которую так же решить крайне сложно, является упорядоченное размещение большого количества УНТ в необходимых точках полупроводникового чипа. Для решения этих проблем исследователям IBM пришлось разработать новый метод, основанный на химии ионного обмена. С помощью такого метода удалось выровнять и упорядоченно расположить УНТ на поверхности кристалла, при этом плотность размещения нанотрубок на два порядка превысила значение, достигнутое ранее. На одном квадратном сантиметре поверхности кристалла было размещено около миллиарда УНТ, которые являются активными элементами транзисторов нового типа.

Вначале производится смешивание порошка из УНТ с сурфактантом – материалом, напоминающим мыло, который позволяет растворить нанотрубки в воде, равномерно распределив их по всему объему. Основа будущего транзистора состоит из траншей в оксиде кремния SiO₂, заполненных химически модифицированным и активированным оксидом гафния HfO₂. Когда это основание помещается в раствор УНТ, то нанотрубки с помощью химических связей закрепляются на оксиде гафния, а вся остальная поверхность свободна от УНТ. После удаления остатков и следов раствора остается поверхность, к которой прикреплены ряды нанотрубок, упорядоченных должным образом. Специалистами IBM разработана и технология быстрого тестирования полученных электронных схем на основе нанотрубочных транзисторов, что позволяет быстро отбирать кристаллы без дефектов производства, которые могут служить основой микропроцессоров и других микросхем. В качестве примера на рис. 3.22 показан массив из однослойных УНТ, расположенных регулярно на подложке из SiO₂. Каждая из нанотрубок контактирует с металлическим электродом.

Рис. 3.22. Увеличенное изображение регулярного массива из УНТ

Еще более впечатляющим оказались результаты работы ученых из Стэнфордского университета (США), которым удалось создать первое функционирующее вычислительное устройство с процессором, все элементы которого изготовлены из УНТ. По сравнению с современными процессорами и компьютерами, новый нанотрубочный компьютер выглядит анахронизмом. Его процессор состоит всего лишь из 178 транзисторов (рис. 3.23), в то время, как кристаллы современных процессоров содержать миллиарды транзисторов. Новый процессор может обрабатывать один бит информации, современные же процессоры являются в большинстве своем 64-разрядными. Работает процессор на частоте в 1 КГц, что приблизительно в миллион раз меньше тактовой частоты процессоров современных смартфонов.

Рис. 3.23. Увеличенное изображение процессора на УНТ, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа (после обработки в графическом редакторе)

Несмотря на совсем не впечатляющие характеристики, такой процессор способен выполнить все то, что можно ожидать от обычного процессора. Разработчики протестировали собранный ими нанокомпьютер, создав очень простую операционную систему, на которой запускались две задачи – программа для вычислений и алгоритм сортировки. Нанокомпьютер оказался в состоянии переключаться между ними, что позволяет говорить об очень примитивной многозадачности. В набор его команд входят 20 основных команд из достаточно распространенного набора инструкций MIPS-архитектуры.

В своей работе ученым пришлось преодолеть две ключевые проблемы. Нанотрубки, которые являются основой нового процессора, выращивались с помощью достаточно простого метода химического осаждения углерода из паровой фазы. Но в ходе такого процесса, как известно, могут быть получены УНТ, обладающие металлическими или полупроводниковыми свойствами. Металлические токопроводящие нанотрубки являются нежелательными, поскольку он действуют как микропроводники, которые могут произвести короткие замыкания в электронной схеме.

Другим камнем преткновения является упорядочивание выращиваемых УНТ. Используя специальные «шаблонные» подложки можно добиться роста параллельных нанотрубок, ориентированных в одном определенном направлении. Но, некоторая часть из них обязательно отклонится от общего направления и соединится с соседними нанотрубками, замкнув их электрические цепи.

Первая проблем была решена учеными достаточно элегантно. Через массив выращенных нанотрубок был пропущен электрический ток достаточно большой величины. Токопроводящие металлические углеродные нанотрубки в результате этого разогревались, окислялись и сгорали, превращаясь в углекислый газ, а полупроводниковые нанотрубки, через которые не проходил электрический ток, оставались целыми. Вторая проблема была решена более сложным путем. Для создания микропроцессора была выращена заготовка из нанотрубок, в несколько раз превышающая по размерам будущую электронную схему. Используя метод лазерной микрогравировки, исследователи последовательно удаляли дефектные участки заготовки, формируя при этом структуру будущей электронной схемы.