Komplexa integrerade kretsar gjorda av kolnanorör

De första tredimensionella kolnanorörskretsarna, gjorda av forskare vid Stanford University, kan vara ett viktigt steg för att göra nanorörsdatorer som kan vara snabbare och använda mindre ström än dagens kiselchips. En sådan dator är fortfarande minst 10 år ledig, men Stanford-arbetet visar att det är möjligt att göra staplade kretsar med kolnanorör. Staplade kretsar fyller mer processorkraft i ett givet område och gör också ett bättre jobb med att avleda spillvärme.

Kolkrets: Denna kol-nanorörkrets, som är ett minneselement, är en av många möjliga konstruktioner som kan göras med nya metoder.

En nyligen genomförd IBM-studie visade att för en given total strömförbrukning är en krets gjord av kolnanorör fem gånger snabbare än en kiselkrets. Vi kan göra kiseltransistorer mindre och mindre, men vid extremt små dimensioner visar de inte den önskade prestandan längre, säger Zhihong Chen, chef för kolteknologi på IBM Watson Research Center . Vi letar efter alternativa material som kan skalas mer aggressivt men ändå bibehålla enhetens prestanda.

Forskare har haft stor framgång med att göra enstaka nanorörstransistorer i labbet, men att skala upp dem för att göra komplexa kretsar har varit svårt eftersom det är omöjligt att kontrollera kvaliteten på varje enskilt nanorör. Stanford-kretsdesignerna, som presenterades förra veckan på Internationellt möte för elektronenheter i Baltimore, gör det möjligt att skapa mer komplexa nanorörskretsar trots materialets begränsningar.

När vi hanterar ett stort antal komponenter i nanoskala kan vi inte kräva att allt ska vara perfekt, säger vi H.-S. Philip Wong , professor i elektroteknik vid Stanford. När Stanford-forskarna odlar uppsättningar av nanorör för att göra kretsar får de en blandning av halvledande nanorör och metalliska nanorör som kommer att orsaka elektriska kortslutningar om de inte elimineras. Vissa av nanorören växer i raka linjer, men vissa är snirkliga, och dessa måste också arbetas runt. Medan kemister arbetar med metoder för att odla raka, rena nanorör, är Stanford-forskarnas fråga, säger Wong, hur kan vi mildra det och se till att systemet fortfarande fungerar?

Svaret är att ta hänsyn till materialbegränsningar i kretsdesignerna. Vi måste hitta ett sätt att bygga med de metalliska nanorören så att de inte gör problem, säger Subhasish Mitra , professor i elektroteknik och datavetenskap vid Stanford. Stanford-gruppen gör först vad Mitra kallar en dum layout. Med hjälp av en stämpel överför forskare en platt liggande, anpassad samling av kolnanorör odlade på ett kvartssubstrat till en kiselskiva. De toppar sedan nanorören med metallelektroder. På skivans yta, mellan kislet och nanorören, finns ett isolerande lager som fungerar som en bakdörr, vilket gör att forskarna kan stänga av de halvledande nanorören innan de använder metallelektroderna för att bränna ut de metalliska nanorören med en ström av elektricitet . En övre grind läggs till som är mönstrad på ett sådant sätt att den inte ansluter till några felinriktade rör. Kretsarna etsas sedan för att ta bort metallelektroder som inte behövs för den slutliga kretsdesignen.

För att göra en tredimensionell krets upprepar forskarna helt enkelt stämplings- och elektrodtillväxtprocedurerna för att stapla så många lager som behövs innan den slutliga etsningsprocessen. Nanorörstämplingsprocessen, som Stanford-gruppen först demonstrerade förra året, är nyckeln till att skapa staplade lager eftersom det kan göras vid låga temperaturer som inte smälter de elektriska metallkontakterna i underliggande lager.

Medan materialforskare fortfarande arbetar med hur man odlar partier av kolnanorör där varenda en är halvledande, arbetar Stanford-gruppen kring problemet. Istället för att bränna ut ett rör i taget, gör de det på kretsnivå och designar sedan kretsarna smart för att komma runt de utbrända rören, säger IBMs Chen.

De har visat små enkla kretsar, som det som gjordes i mitten av 1960-talet med kisel, säger Shekhar Borkar , en Intel-stipendiat och chef för företagets mikroprocessorteknologilabb. Stanford-gruppen har gjort till exempel en enkel miniräknare som kan lägga till och lagra siffror.

Stanford-gruppen arbetar för närvarande med att göra allt mer komplexa integrerade kretsar. När det gäller komplexitet finns det i grunden ingen barriär på kolnanorör, säger Mitra. Materialbarriärer kvarstår dock. Stanfords nanorörsmatriser är några av de tätaste som någonsin gjorts, med fem till 10 nanorör per mikrometer, men det räcker inte. Vi behöver 100 nanorör per mikrometer för att få riktigt bra prestanda, säger Wong.

Dölj