打破半導體摩爾定律的奈米碳管

102/10/18 

黃承揚｜英商牛津儀器

戈登摩爾(Moore)乃英特爾創辦人之一，他於1965年大膽預測一條控制矽半導體業者生死存亡的曲線，顯示在同樣大小的微晶片上，電晶體數目每18個月會成長1倍，此稱為摩爾定律(Moore’s Law)。而這樣的預測已告知矽半導體的製程線寬物理極限在這世紀中即將達成；那甚麼是下一世代組成電腦的材料呢？

2013年9月美國史丹佛大學（Stanford University）工程學院實驗室研究團隊，成功開發出首台完全以微小奈米碳管（carbon nanotubes）電晶體所組成之電腦Cedric。Cedric由178個電晶體所組成，每個電晶體有10~200個奈米碳管，而目前該電腦還很陽春，速度只有1950年代的水平，僅能處理1位元的資訊及只會數數到32而已。然而奈米碳管的電腦得以實現，代表著製造量產奈米與控制奈米的技術瓶頸得以突破，這是未來追求以量產方式製造出更小、更快、更強大的電腦或電子裝置的重大一步。

何謂奈米碳管？奈米碳管是整片的碳原子以六角形排列，捲曲成中空管狀物，它是地球上最強硬的物質之一，以單壁奈米碳管為例，它的強度約為鋼的10~100倍，但重量卻只有鋼的六分之一。由於超薄的特性，開關啟動需要的能量非常稀少，六角環狀碳原子結構，使其具有高導電與半導體特性，相當適合用來製造電晶體；若將電晶體以奈米碳管陣列組成，且能獨自開關，亦即可以表現0與1的訊號，那麼奈米碳管電晶體則可以小於10奈米的尺寸，卻得以儲存上千Gb（Gb為10億位元）的資訊，這是矽半導體所望塵莫及的。

自從1991年日本筑波NEC實驗室的物理學家飯島澄男發現奈米碳管後，各方人馬莫不努力研發，讓此一神奇材料能勇闖半導體界，進一步取代矽，突破摩爾定律。然理論計算奈米碳管的優異特性，卻不代表能大量生產；用奈米碳管電晶體來實現電腦的新紀元，首要碰到的難題就是人們要如何製造出無缺陷的碳管，並能精準地控制每一根奈米尺度碳管的0與1的訊號。

化學氣相沈積法（Chemical vapor deposition，簡稱MOCVD）讓碳氫化合物的氣體，通入800∼1200℃的石英管爐中反應，碳氫化合物的氣體會因高溫而催化分解成碳，吸附在基板催化劑金屬上(一般都用鐵、鈷、鎳)，碳管會將奈米顆粒分布的催化劑金屬當作是成核初始模板表面；而沉積成長直徑約25~130nm、長度10~60nm的奈米碳管，由於設備技術改良讓MOCVD生產的奈米碳管良率提升80~100%，且有工業化量產型之設備，再配合上美國史丹佛大學提出的「免疫缺陷設計」（imperfection-immune design）技術，就算有些微缺陷之奈米碳管也能自我運轉出可用的電路迴圈。如此先進之製造技術乃降低碳管缺陷而提升良率，同時搭配控制碳管訊號的演算技術，於是造就了奈米碳管電腦之問世。

奈米技術發展至今，科學家已清楚了解奈米可貢獻在很多領域，達到殺手級的應用，然而量產與控制卻是奈米科技最大之困境，但美國史丹佛大學所展示之奈米碳管電晶體電腦，已成功向世人宣示打破半導體摩爾定律已非遙不可及的夢想。（本文由國科會補助｢新媒體科普傳播實作計畫─電機科技新知與社會風險之溝通｣執行團隊撰稿）

責任編輯：楊谷洋｜國立交通大學電機工程學系暨科技與社會中心智庫研究團隊