Первые трёхмерные интегральные схемы из нанотрубок

Исследователи из Стэнфордского университета (Stanford University) создали первые трёхмерные электронные схемы из нанотрубок. Данное достижение может стать важнейшим шагом на пути к компьютерам с вычислительными элементами на основе нанотрубок, обладающим превосходящим сегодняшнюю "кремниевую" технику быстродействием и потребляющим меньше энергии. До их появления должно пройти ещё не менее 10 лет, но значительность результата стэнфордских учёных в том, что показана принципиальная возможность "послойного" размещения наноэлементов из углерода. Подобные чипы будут иметь большую вычислительную мощность на единицу площади и лучше рассеивать тепло.

Недавнее исследование компании IBM показало, что для некоторого количества потребляемой мощности электроника из нанотрубок функционирует в пять раз быстрее, чем кремниевая. "Мы можем и дальше уменьшать размеры транзисторов, но в очень малых масштабах они прекращают показывать желаемые характеристики, - говорит управляющий углеродными технологиями в IBM Watson Research Center Жионг Чен (Zhihong Chen). – Поэтому мы ищем альтернативные материалы, размеры элементов из которых можно уменьшать более агрессивно с сохранением быстродействия". Исследователи уже достигли некоторого успеха в изготовлении единичных транзисторов из нанотрубок в лабораториях, однако до сих пор комплексные цепи из них получать не удавалось вследствие невозможности контроля качества каждой отдельной нанотрубки. Стэнфордская разработка, представленная на прошедшей международной конференции International Electron Devices Meeting (IEDM) 2009 в Балтиморе, открывает возможность создания сложных структур несмотря на ограничения материалов.

Как рассказывает профессор электронной инженерии Филип Вонг (Philip Wong), работа со множеством элементов в наномасштабе означает возникновение сложностей с формированием идеальных структур. Вырастив массив нанотрубок для дальнейшего создания из них электрических схем, исследователи получили смесь из полупроводниковых металлических трубок, которая имела тенденцию к коротким замыканиям. Некоторые из нанотрубок были объединены в прямые линии, другие же имели вид изогнутых форм, и это в том числе являлось препятствием. Пока химики занимаются методами выращивания исключительно прямых структур без примесей, команда Вонга поставила себе задачу ответить на вопрос, каким образом можно обойти проблему или смягчить оказываемый ею эффект.

Ответ заключается в конструкции схем. Необходимо вместо удаления металлических нанотрубок учесть их присутствие и разрабатывать соответствующий дизайн электронных цепей. Для начала учёные создают пустую разметку, и при помощи матрицы переносят выровненный однослойный массив углеродных нанотрубок, выращенных на кварцевой подложке, на кремниевую пластину. Над массивом помещаются металлические электроды. Между нанотрубками и кремнием находится выступающий тыловым затвором изолирующий слой, который позволяет прекратить подачу питания на полупроводниковые трубки перед использованием электродов для сжигания металлических нанотрубок разрядом электричества. Верхний затвор располагается так, чтобы не контактировать с выбивающимися из общей ровной структуры трубками. Наконец, металлические электроды удаляются как излишний компонент. Трёхмерная схема получается простым повторением процесса. Такое "штампование" является ключевым в создании многослойной структуры, потому что производится при низких температурах без повреждения металлических электрических контактов.

По словам возглавляющего технологическую микропроцессорную лабораторию Intel Шекара Боркара (Shekhar Borkar), пока стэнфордская команда продемонстрировала небольшие и простые схемы наподобие кремниевых 1960-х годов. Например, был изготовлен "калькулятор", способный складывать и хранить числа. В настоящий момент учёные пытаются получить более сложные решения. Углеродные нанотрубки не ставят на этом пути фундаментальные барьеры. Их массивы в лабораториях исследователей одни из самых плотных, с 5-10 трубками на микрометр, но и этого пока недостаточно – требуемая цифра на порядок больше.