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此前，越来越多来自学术界的迹象表明，碳纳米管正在迎接新的挑战，即提供一个可真正替代硅基互补金属氧化物半导体（CMOS）晶体管的解决方案。 日前，来自IBM托马斯J沃森研究中心的研究人员开发了满足国际半导体技术发展路线图（ITRS）下一个十年计划的先进碳纳米管晶体管。研究人员制造了一种基于碳纳米管的P沟道晶体管，它能够在较低的电压下工作，且体积仅为领先硅技术晶体管的一半。 据科学杂志报道，IBM的研究人员用碳纳米管P沟道实现了晶体管尺寸的降低，该晶体管包含了所有组件，大小仅为40平方纳米，已经实现了半导体技术发展路线图未来十年的技术目标。 将晶体管尺寸缩小到如此小的关键就是利用碳纳米管替代了硅作为晶体管的沟道。碳纳米管的厚度只有1nm左右，这样的厚度在静电学方面体现出了一个显著的优势，即能够在避免短沟道效应带来的不利影响的同时将器件的栅极长度降低到10nm。纳米管的另一个优点在于电子的传播速度更快，有利于提高器件性能。 图为碳纳米管晶体管示意图 晶体管尺寸缩小的另一关键因素在于其采用了端接触点方法。晶体管的金属触点一般都是沿着晶体管半导体材料的纵向接合，也就是沿着沟道长距离接触。早在两年前，IBM就已经开发出了端接触点的方案，这使得碳纳米管进踢馆的接触长度从300nm缩小到了10nm，而不会增肌增加接触电阻值。 为了完成这项工作，IBM的科学家需要找到一种兼具热稳定和与碳互相反应的接触金属，为了保持器件的几何形状，该接触金属还需在足够低的温度下形成端接触点。科学家门发现，他们可以将碳纳米管连接到高功函数钴钼合金触点上。 钼元素保持了合金良好的人稳定性，同时，钼作为催化剂，还能降低与纳米管之间形成金属碳化物所需的温度——650℃。 由于碳纳米管都是通过端点与这些接触点相连接，这些触点就为电子注入碳纳米管提供了一个传输屏障，其结果就是，晶体管只有P沟道。 IBM研究人员Qing Cao表示：“采用低功函数金属与纳米管形成端接触点以在N沟道中工作是非常具有挑战性的。然而，我们已经开发了一种有效的碳纳米管通道掺杂工艺，通过该技术，N沟道器件也能够在高功函数接触点上工作。” 除了纳米管沟道与钴-钼合金触点的端部接合外，研究人员还将超薄的高k氧化物层放置于纳米管的顶部作为栅极介质。 Qing Cao表示，在高性能纳米管逻辑晶体管实现商业化之前，仍然存在一些需要解决的制造可行性问题。 Qing Cao补充道：“现阶段面临的主要挑战就是设备的一致性问题。我们最终是要将数十亿个碳纳米管晶体管集成到同意功能电路中，为了做到这一点，我们需要保证每一个晶体管的性能一致性，以便其能够在相同的电压下正常工作。” 虽然在过去的几年中半导体纳米管的纯度已经得到了极大地改善，IBM也实现了纯度达到99.999%的目标，但这一工艺还需进一步改善以提高其标准化及稳定性，以确保可靠的大批量生产。 Qing Cao补充道：“在半成品生产线上，将纳米管应用到CMOS工艺中仍需更好的对其进行工程控制，以尽量减少碳纳米管中的杂质含量。” 在工程学方面，Qing Cao认为他们首先需要对纳米管源和沉积过程建立更好的控制。“目前的纳米管方案并不是电子级的方案，所以我们可能会在纳米管沉积过程中对氧化物施加电荷。”
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