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奈米碳管場效電晶體

  • 林育中

奈米碳管被用於場效電晶體的是用來做通道,圖為電子顯微鏡下碳管微電腦晶片體的場效應畫面。Aidar Kemelbay

第一個奈米碳管場效電晶體(Carbon Nanotube FET;CNFET)原型在1998年成功做出,2000年初我在此寫了一篇介紹文章。然後倏然20年過去,第一個可以用量產化方法製造的樣品姍姍然問世,文章發表於8月底的《Nature》上。

我在諸種原子中最鍾情於碳。它的結構簡單,所以對稱性極髙;又有點結構,不致於簡單到索然無味。因為對稱性高,所以物性可以發揮到極致,譬如鑽石的硬度。又因為它的對稱性高,它的同素異構體(allotrope)很多:三維的有鑽石和石墨(graphite),二維的有富勒烯(Fullerence;5個碳環和7個碳環交織成一個球狀體,C60)、奈米碳管(carbon nanotube),以及後來成為平面二維材料始祖的石墨烯(graphene)。最近還發現一個一維的結構環狀cyclo(18)carbon,基本上是18個碳原子交錯以單鍵、3鍵形成的碳環。碳原子的世界不知道還要帶來多少驚奇。

奈米碳管基本上可以想像是以一張石墨烯捲起來形成的中空圓柱狀結構。由於捲的角度不同,捲出的奈米碳管性質也有所不同。它的直徑最小的可以有0.3nm,用於電晶體的在1~2nm之間。它的傳導性質可以是金屬,或者能帶隙在2eV以下的半導體,因此可用於電晶體製作的材料。它的導電、導熱性質都極佳,金屬性質的奈米碳管導電性比銅甚至高1000倍。它的導電性還有一個有利的特性:導電方向與圓柱軸心是同向的,橫切方向的電阻很大。

奈米碳管被用於場效電晶體的是用來做通道,上述的好處幾乎都用的著。導電性、導熱性都好,熱耗散就比較不是問題。電流在軸向傳導,側漏電流問題也小。只是上述的都是理論上的好處,做工程的卻要面對所有的真實棘手狀況。

CNFET有幾個大挑戰,是以花了這麼多年才做出第一個工作樣品。首先是雖然是要製造半導體性質的納米碳管,但製作出的碳米碳管難免會雜有金屬性質。這些金屬性奈米碳管會漏電導致功耗,更影響邏輯運作的正確性。這個問題可以用設計的方法將缺陷密度降到可以接受的範圍。

再來是有些奈米碳管會聚合(aggregate),像煮細麵時幾條細麵糾纏在一起煮不開,但有清洗的工序可以除掉這些冗餘。另外,一個CMOS需要p-CNFET與n-CNFET,而且二者的臨界電壓不能有太大的變異,這個問題可以用氧化物包裹CNFET隔絕外界的影響,並且調整CNFET與源極/漏極的金屬接觸獲得控制。

經由這些工程手段,在6吋晶圓上製造了一個最近頗熱門的RISC-V 32位元指令、16位元數據的微處理器,計有14,000個閘,它的熱耗散比同等級的矽基晶片足足少了一個數量級。這是一個成功的測試晶片,用傳統矽晶片製程驗證了CNFET量產的可行性。

CNFET真的會上場嗎?我高度懷疑。若在15、20年前,它的尺度對半導體產業尚有吸引力,但現在臨界尺度已走向2、3奈米,奈米碳管怕是遲了。除了對熱耗散極為嚴苛的應用外,主流的研發不會再拐彎到此一叉道。這裡學到的一課是:技術講究的不僅是可行性,時間點可能更為重要!

現為DIGITIMES顧問,1988年獲物理學博士學位,任教於中央大學,後轉往科技產業發展。曾任茂德科技董事及副總、普天茂德科技總經理、康帝科技總經理等職位。曾於 Taiwan Semicon 任諮詢委員,主持黃光論壇。2001~2002 獲選為台灣半導體產業協會監事、監事長。現在於台大物理系訪問研究,主要研究領域為自旋電子學相關物質及機制的基礎研究。