隨著計算機全面進(jìn)入納米時代,，工程師們發(fā)現(xiàn)想要遵循摩爾定律變得越來越難了,。

1965 年,，Intel創(chuàng)始人戈登·摩爾提出了提出了“摩爾定律”，即集成電路上可容納的晶體管數(shù)量大約每隔 1-2 年便會增加一倍,，性能也隨之翻倍,。

五十多年來，摩爾定律一直有效,，但目前業(yè)界的預(yù)測是,，未來 10-15 年，在進(jìn)行三次技術(shù)升級后,，芯片制造工藝將達(dá)到 5 納米,，這意味著單個晶體管柵極的長度將僅為10個原子大小。在此基礎(chǔ)上繼續(xù)突破幾乎是不可能的——從技術(shù)上講,，你不可能造出單個原子大小的晶體管,。

圖丨研究人員想象出的單原子晶體管概念圖

另外，因為考慮到生產(chǎn)成本,，制造商們將不再有意愿繼續(xù)改進(jìn)制程工藝,，因為目前的芯片計算能力基本可以滿足需求。這一趨勢其實在模擬芯片市場早就出現(xiàn)了,，很多模擬芯片廠商還在使用五年前的工藝來生產(chǎn)產(chǎn)品,。

而且，像移動設(shè)備中使用的 WiFi 芯片,，28納米的制程工藝已經(jīng)足夠好了,，完全沒必要花費大筆研發(fā)經(jīng)費去升級到 10 納米 CMOS（互補金屬氧化物半導(dǎo)體）工藝。

正因為上述這些原因,，讓近來關(guān)于摩爾定律即將失效的言論越來越盛行,。使用了五十多年的硅基 CMOS 晶體管制造工藝，如果在未來無法找到可行的替代方案,，我們或許真的會遭遇計算力瓶頸,。

不過，好在科學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界也都預(yù)計到了瓶頸期的臨近,，也試圖尋找各種各樣的辦法,，讓摩爾定律繼續(xù)有效,。

這次，來自IBM的研究人員們找到了一種全新的芯片制造工藝,，而且制造晶體管所使用的材料不再是硅,，而是碳納米管！研究成果一經(jīng)公布,，《Science》雜志官網(wǎng)甚至發(fā)文表示：IBM的科學(xué)家基于碳納米管打造世界最小晶體管,，難道“硅谷”終將變成“碳谷”？

圖丨“硅谷”終將變成“碳谷”,？

文歸正題,！來自 IBM 的研究人員剛剛公布了一種全新的晶體管制造方法：使用碳納米管來替代傳統(tǒng)的硅基 CMOS 工藝，題目為“Carbon nanotube transistors scaled to a 40-nanometer footprint”的研究報告也已發(fā)表于今天出版的《Science》雜志上,。

其實,，科學(xué)家們一直在對碳納米管晶體管進(jìn)行持續(xù)的探索——這是一種直徑僅為 1 納米，或十億分之一米的管狀納米級石墨晶體,。

但是,，使用碳納米管來替代傳統(tǒng)硅基晶體管最大的難度在于，如果要達(dá)到理想的性能,，碳納米管截面直徑要達(dá)到 100 納米左右,，這比目前的硅晶體管要大得多。

圖丨碳納米管

為了減少這個數(shù)字,，來自 IBM 托馬斯J.沃森研究中心的研究團(tuán)隊使用了一種全新的技術(shù)來構(gòu)建電流流入,、流出的碳納米管觸點——使用鉬金屬來直接接駁碳納米管端部，從而減小了體積,。

同時,，他們還添加了鈷，使得這種連接在較低溫度下也能生效,。原理非常簡單,，由于熱脹冷縮，低溫能減小觸點間的間隙,。

研究中還解決了一個重要問題,，那就是如何在觸點間傳輸足夠的電流。研究人員通過在相鄰晶體管之間平行放置由數(shù)根碳納米管組成的納米線解決了該問題,。

最終,，整個晶體管的接腳面積被壓縮到了40平方納米。這個數(shù)字成為了“國際半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展路線圖”（International Technology Roadmap for Semiconductors, ITRS）近十年來的新標(biāo)桿,。

而且在隨后的測試表明,，IBM研究團(tuán)隊開發(fā)碳納米管晶體管比目前的硅晶體管速度更快、效率更高！

圖丨ITRS是由世界上五個主要的半導(dǎo)體制造國家和地區(qū)的相關(guān)協(xié)會所資助的組織,，其最新研究報告指出,，晶體管將在2021年開始停止繼續(xù)縮小。圖中藍(lán)色曲線為2013年的預(yù)測,，紅色曲線為2015年最新預(yù)測,。

晶體管能夠縮小到如此小的尺寸，要歸功于用碳納米管代替硅作為晶體管間的通道,。碳納米管的厚度只有1納米,，這樣的厚度在靜電場上有著顯著的優(yōu)勢，可以讓器件的柵極長度降低到10納米,，且不會造成短溝道效應(yīng)給器件性能帶來的不利影響,。

另外,，納米管的另一個好處就是擁有更快的電子傳輸速度,，這對于提升器件性能無疑是至關(guān)重要的。

此外,，晶體管微型化的另一個關(guān)鍵在于采用“端點連接技術(shù)”,。通常來講，晶體管中的金屬部分是沿著晶體管中主體半導(dǎo)體材料縱向粘接,，導(dǎo)致粘接的部分很長,。而IBM展示的這種端點連接技術(shù)可以使得晶體管的粘接部位長度大大縮小：從 300 納米縮小到僅 10 納米,，而且不會增加電阻,。

圖丨使用了碳納米管的器件模型

為了保證器件的可靠性，IBM的研究人員還對碳納米管中的金屬部件進(jìn)行了熱穩(wěn)定性和碳反應(yīng)性測試,。然后,，還要保證端點在足夠低的溫度下仍然可以進(jìn)行連接，以維持器件的幾何形狀,。

然而,，保證低溫狀態(tài)下的穩(wěn)定連接也是一個難題，研究人員在反復(fù)試驗后發(fā)現(xiàn),，鈷鉬合金在碳納米管粘接上有著出乎意料的優(yōu)勢：

一方面,，鉬能保證合金的熱穩(wěn)定性；另一方面,，鈷則起到了在相對較低溫度下進(jìn)行連接的催化劑作用,。將兩種金屬的特征相結(jié)合，可以避免碳納米管粘合金屬時所需的650攝氏度高溫,。

這次 IBM 發(fā)表于《Science》雜志的論文聯(lián)合作者,、IBM沃森研究中心研究員，同時也是 2016 年《麻省理工科技評論》“年度35歲以下創(chuàng)新35人”（MIT TR35）獲得者曹慶（Qing Cao）表示：“使用低功函數(shù)金屬實現(xiàn)納米管的端部接觸是非常困難的,。然而,，我們已經(jīng)開發(fā)了一些工藝來有效地?fù)诫s納米管通道,，所以即便是在在高功函數(shù)金屬端部接觸的情況下，也可以實現(xiàn)n溝道（n-channel）器件的操作,?！?/p>

圖丨IBM沃森研究中心研究員，MIT TR35獲得者曹慶

雖然,，通過摻雜實現(xiàn) n 溝道器件操作還有很多需要改進(jìn)的地方,，但頂柵結(jié)構(gòu)的器件確實具有令人意想不到的優(yōu)勢。與底柵結(jié)構(gòu)相比,，目前硅晶體管中使用的頂柵器件結(jié)構(gòu)更容易實現(xiàn)器件之間的復(fù)雜連接,，同時也能實現(xiàn)更高的器件集成密度。

所以,，除了與鈷鉬合金觸點端接的納米管通道之外,，納米管的頂部也覆蓋有一層超薄的高介電氧化物，作為具有金屬頂柵的柵極介電層,。

圖丨單個碳納米管晶體管的結(jié)構(gòu)圖及顯微圖

當(dāng)然,，作為一項全新技術(shù)，曹慶也承認(rèn),，在高性能納米管邏輯晶體管真正成為商業(yè)化技術(shù)之前,，還有一些制程方面的問題需要解決。

曹慶表示,，目前階段的主要挑戰(zhàn)是器件的穩(wěn)定性,，但最終團(tuán)隊希望能將數(shù)十億納米管晶體管集成到功能電路中。為了做到這一點,，團(tuán)隊需要保證晶體管之間良好的一致性,，從而實現(xiàn)在相同電壓下，所有晶體管都能正常工作,。

圖丨傳統(tǒng)硅基半導(dǎo)體邏輯門制造工藝以及鈍化步驟

盡管在過去幾年中,，半導(dǎo)體納米管的純度已得到顯著改善，經(jīng)過通電檢測,，其純度已經(jīng)升到了99.999％以上,，但制造過程需要更穩(wěn)定和更加標(biāo)準(zhǔn)化，從而能夠保證將來大批量生產(chǎn)時的可靠性,。