以奈米碳管製成的電腦晶片(圖:G. HILLS ET AL/NATURE 2019)

麻省理工學院(MIT)研究團隊成功以奈米碳管(carbon nanotube)製成電晶體,並用於電腦微處理器。這是第一個以奈米碳管電晶體製成的電腦晶片,此設計克服過去奈米碳管在製程上難以控制的問題,有望開啟新的半導體研究領域。該研究結果已發表於《自然》(Nature)期刊。

奈米碳管電晶體

在電晶體中,根據電流開關的半導體是最重要的部分,能夠藉由開關的狀態儲存 0 或 1 的資料用於運算。現今的半導體元件主要以矽製成,藉由將電晶體縮小規模,便能加快電腦的運算速度。不過,目前矽半導體製程所能達到的最小尺寸已逐漸接近物理極限,因此若要進一步提升電腦的運算能力,必須找出下一代的替代品。

其中,奈米碳管由於原子等級的厚度,能製造出比矽更佳的半導體。理論上,以奈米碳管製成的微處理器,其運算速度比矽製成的微處理器快三倍,同時只消耗三分之一的能源。不過製程上相當難配合的特性,導致以往從未有人成功以奈米碳管開發出複雜的電路用於電腦運算。

製程方法

研究人員 MIT 助理教授馬克斯·舒爾克(Max Shulaker)表示,奈米碳管在製程上其中一個問題是,當其沈積在晶圓上時會聚集在一起,嚴重影響電晶體的使用。而研究團隊在沈積後,透過震動將這些不理想的奈米碳管團小心震開,解決了此問題。

另一個問題是,每批奈米碳管中含有約 0.01% 的金屬性奈米碳管,這種金屬奈米碳管並非優良的半導體,無法準確藉由電流開關來儲存資料,也會影響到電晶體的運作。為解決此問題,研究團隊分析各種電晶體的配置會如何受到金屬性奈米碳管的影響。以此方法,研究人員設計出能降低影響程度的電路,使微處理器不會受到金屬性奈米碳管的干擾。

研究結果

在解決了奈米碳管製程上的兩大問題後,團隊成功開發出具有 14,000 顆奈米碳管電晶體的微處理器,並執行經典的「Hello, world!」程式。但此微處理器的效率與處理速度仍遠不及現今的矽晶圓,其尺寸上約為微米級,而當今的矽電晶體則已達到奈米級尺寸。然而,此研究仍是相當突破性的發展,對於新一代的微處理器開發將是一大進展。

參考資料:

  1. Temming, M. (2019, August 28). A chip made with carbon nanotubes, not silicon, marks a computing milestone. ScienceNews
  2. Hills, G. et al. (2019, August 29). Modern microprocessor built from complementary carbon nanotube transistors. Nature. DOI:10.1038/s41586-019-1493-8
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