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史丹佛大學研究中心主任暢談奈米電子技術的發展

上網時間: 2005年05月26日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:nanotech  奈米技術  Toshiba Corp.  東芝公司  electron-spin resonance 

Yoshio Nishi在東芝公司的20年中主要從事利用電子自旋共振技術研究二氧化矽介面的先進研究,現在他擔任史丹佛大學奈米製造中心和整合系統中心的主任,最近他在接受美國EETimes David Lammers的專訪中暢談了奈米電子技術的發展。

問:現在,傳統的矽晶片開發人員儼然分成了開發奈米級元件與開發邏輯元件及記憶體替代方案的兩派,他們之間頗有些劍拔弩張的感覺。

史丹佛大學奈米製造中心和整合系統中心主任
Yoshio Nishi

Nishi:我們不妨將奈米技術分為演進性奈米技術和革命性奈米技術兩類。演進性奈米技術包括利用新材料(如金屬閘極和high-k)設計的基於矽晶片的CMOS以及主動半導體部份使用的非矽材料(如鍺)。但新舊技術的基本原理完全相同。

革命性奈米元件則可以分為零維、一維、甚至二維元件。量子點(Quantum Dot)和奈米點(Nanodot)都屬於零維元件,目前一些研究人員正在研究用量子點和奈米點染色取代傳統的化學染色,這樣就能透過調節這些點的直徑實現紅、藍、黃三原色。

奈米線(Nanowire)和奈米管(Nanotube)則都屬於一維傳導元件,其基本的物理和化學原理非常容易理解。現在,我們已經能夠使用碳奈米管(Carbon Nanotube,CNT)製造具有很高電流密度的NMOS晶體管,這的確令人振奮。但現在困擾一維奈米技術的難題是如何能夠在確保所需特性的前提下,在極為特殊的空間位置延伸這些奈米線和奈米管。為實現這個目標,我們必須在CNT電路領域取得更多的突破性工程進展。

問:那麼,二維奈米技術的發展又如何呢?

Nishi:二維奈米技術目前還不夠成熟。我認為分子電子(Molecular Electronic)技術屬於二維奈米技術。有機元件(Organic Device)的非揮發性非常適合於記憶體功能,但遺憾的是有機元件不能以足夠快的速度進行切換。另外,二維奈米技術還包括電子自旋元件(Spintronic Device),該元件的性能已經在實驗室低溫條件下得到驗證。理論表明,自旋元件完全可以工作於室溫條件下。此外,我還將單電子元件(Single-electron Device)納入二維奈米的範疇。

問:現在是否已經設計出其中一部份奈米元件呢?

Nishi:廣義上,奈米電子和奈米技術已在研究領域取得很多令人振奮的進展。雖然其中不乏一些欺騙性研究,但確實也有很多‘真材實料’。

一些研究人員更願意專注於先進材料研究,如能夠進入人體並為特定器官提供藥物的奈米機器人,這些技術或許有助於創造新的化學療法。很大程度上,奈米研究也並不是那麼遙不可及。奈米電子機械系統(Nanoscale Electromechanical System,NanoMEMS)、奈米傳動器和感測器、將電子轉換為光子以及將光子轉換為電子的奈米轉換器都具有非常光明的前景。在醫療和生物領域,已經成功實現了許多新興材料的產品化。

問:nanoMEMS的進展如何?

Nishi:NanoMEMS研究大多集中在生物應用。其中一個研究領域是測量極小的力,如螞蟻的臂力,因為我們需要具有很高靈敏度的感測器。

研究人員也正在研究根據分子重量或大小分離蛋白質的方法。由於矽晶片表面具有許多柱結構,因此分子可以利用密度梯度或電子場進行加速。之後,根據分子大小或重量,我們就能分離這些分子。

DNA序列中也應用了類似的技術,因為一旦DNA被分離,將重組為一個更大的分子。現在,醫藥設計和研究正在開發這些技術,但目前還不夠成熟。

問:那麼,各種研究之間有些什麼不同呢?比如說,化學上有些什麼不同?

Nishi:奈米研究屬於跨學科研究,因此很難區分哪些屬於化學領域,哪些屬於生物或醫療領域。我們可以各種方式(包括微型機械)對高分子進行作業,而微閥(Microvalve)和化學感測器也需要使用奈米結構。

跨學科合作是史丹佛大學及其他類似研究所的典型特性。史丹佛大學的奈米級材料和製程原創包括電子工程系的兩位教授:Krishna Saraswat和我自己;三位材料科學與工程專業的教授、兩位化學工程師、一位機械工程教授、一位應用物理學教授及其他人員。

問:您能介紹一下你們的研究進展嗎?

Nishi:我們在為MOS閘的金屬雙層結構尋求金屬加工控制機械的研究中取得了卓有成效的進展。我們不僅開發出n溝道(n-channel)和p溝道(p-channel)鍺MOSFET,而且還開發了量子化學條件下的ALD(原子層沉積,atomic-layer deposition)前體機械並解決了位置選擇ALD問題。現在,我們正在研究基於二氧化鉿的high-k閘極堆疊以及能更好實現這些結構的設計原理的物理和電子特性。

問:一些大公司也同樣聘用了化學家。比如說,IBM就聘用了一些世界級的科學家從事交叉學科研究。

Nishi:以前,新型設備總是由電子工程領域的專家開發。現在,化學領域的教授們也能設計這些新型設備。因此,我們需要在諸多學科領域具有很強能力的專家,而對於大多數公司而言,這通常很難實現……這就是為什麼很多公司希望能派送研究人員到史丹佛大學的原因,甚至我在麻省理工學院(MIT)的朋友也希望能如此。

問:您認為基於碳奈米管(CNT)的元件能否得到實際應用?

Nishi:CNT無疑屬於革命性奈米電子技術。CNT的優勢在於CNT晶體管具有更高的空穴遷移率,這尤其適用於p型耗盡管模式元件。CNT每單位橫截面傳輸的電流是矽晶片的5至10倍。在互聯應用中,如果按每平方厘米傳輸的電流量進行測量,CNT可以傳輸比普通銅線高一個數量級的電流。

但如果希望能傳輸與銅線或鋁線同等的電流量,那麼必須將數千根奈米管捆綁在一起。目前碰到的困難是,CNT就像由碳和氫組成的纏繞在一起的網孔。網孔的扭曲與否不但決定了手徵性(chirality),而且還決定了CNT處於半導電狀態還是金屬性狀態。不管採用哪種製造方式,得到單壁碳奈米管(Single-walled Nanotube)的概率基本一定,而一旦出現多層多壁碳奈米管,這些碳奈米管將具有完全不同的電子特性。

我們碰到的第一個難題是目前為止仍然不知道如何控制該製程。在史丹佛大學,我們製造的CNT多為半導體型CNT。Hongjie Dai教授領導的研究組不僅開發出世界上第一套帶有high-k和金屬閘極的CNT MOSFET,而且最近還同時製造出了n溝道和p溝道的CNT MOSFET,這些元件在彈道傳輸中展示了極為卓越的電流-電壓特性。

作者:David Lammers





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