Ученые корпорации IBM продемонстрировали новый подход к углеродным нанотехнологиям, который открывает возможность для коммерческого производства гораздо более компактных, быстрых и мощных компьютерных чипов. Впервые свыше десяти тысяч рабочих транзисторов, созданных на основе наноразмерных углеродных трубок, были размещены и протестированы в одном чипе с использованием стандартных полупроводниковых технологических процессов. Сообщается, что эти углеродные устройства готовы заменить — и превзойти — свои кремниевые аналоги, давая возможность осуществить дальнейшую миниатюризацию компьютерных компонентов.

Кремниевые транзисторы, обеспечивающие передачу информации в чипе, с каждым годом становятся все меньше и вскоре вплотную приблизятся к физическому переделу микроминиатюризации. Кроме того, сверхмалые размеры современных кремниевых элементов, в силу особенностей структуры кремния и ряда физических ограничений, начинают препятствовать повышению производительности. Полагают, что после нескольких ближайших циклов классического уменьшения технологических норм потенциал дальнейшего снижения энергопотребления, уменьшения себестоимости и повышения быстродействия процессоров будет полностью исчерпан. В свою очередь, углеродные нанотрубки представляют собой новый класс полупроводниковых материалов, электрические свойства которых являются более перспективными, чем у кремния, в частности, для создания наноразмерных транзисторных элементов, состоящих в сечении всего из несколько атомов. Электроны в углеродных транзисторах обладают большей подвижностью, чем в кремниевых устройствах, что позволяет повысить быстродействие. Нанотрубки на атомарном уровне идеально подходят для транзисторов по форме, что также является преимуществом по сравнению с кремнием.

Утверждается, что подход, разработанный в исследовательской лаборатории IBM, открывает путь для производства чипов с большим числом транзисторов из углеродных нанотрубок, размещаемых точно в заданных позициях подложки. Способность обеспечивать диэлектрическую изоляцию полупроводниковых нанотрубок и размещать углеродные микроустройства на пластине с высокой плотностью имеет решающее значение для оценки их технологической пригодности — со временем для интеграции в одну коммерческую микросхему будет требоваться более миллиарда транзисторов. Прежде, однако, ученым удавалось разместить на подложке одновременно не более нескольких сотен подобных устройств, что недостаточно для решения ключевых проблем коммерческого применения.

Углеродные нанотрубки представляют собой своеобразные углеродные “листы” толщиной в несколько атомов, свернутые в трубку. Углеродные нанотрубки образуют основу транзисторного элемента, который по принципу функционирования будет, до известной степени, схож с современным кремниевым транзистором. Ранее в этом году исследователи IBM продемонстрировали, что транзисторы из углеродных нанотрубок могут работать как великолепные микропереключатели размером менее десяти нанометров, что составляет менее половины от лучшей на сегодняшний день технологической нормы кремниевого полупроводникового производства. Проведенное всестороннее моделирование позволяет предположить возможность повышения производительности по сравнению с кремниевыми электронными схемами приблизительно в 5-10 раз.

Тем не менее, существует ряд практических проблем, которые требуется решить для применения углеродных нанотрубок в коммерческом производственном процессе, связанных, в частности, с химической чистотой вещества и размещением углеродных транзисторных элементов на подложке. Углеродные нанотрубки сочетают, в большей или меньшей степени, металлические и полупроводниковые свойства. Для функционирования в составе устройства пригодны только трубки с полупроводниковыми свойствами, что требует практически полного удаления трубок с металлической проводимостью. Кроме того, для формирования электронных схем и достижения высокого уровня интеграции необходимо точно позиционировать углеродные нанотрубки на кристаллической подложке. Сообщается, что для решения указанных проблем ученые IBM разработали новый метод, основанный на ионообменных химических процессах, который позволяет осуществлять точное и контролируемое размещение углеродных нанотрубок на подложке при высокой плотности компоновки — на два порядка большей, чем в предыдущих экспериментах. В результате, теперь отдельные нанотрубки можно с контролируемой точностью позиционировать на кристалле чипа с показателем плотности около миллиарда на квадратный сантиметр.