纳米碳管的发展与未来

纳米碳管的发展与未来

     自从第一个晶体管发明以来(1946–1947年间)，人类很快在固态电子领域找到各种应用。硅晶半导体堪称是一个幸运且长寿的发明，在近代社会中，除了电灯、汽车和电话之外，很少有发明能对人类产生如此重大且深远的影响。自从 1940 年末以来，人类开始倚赖晶体管至今，其情况是日益显著而且“一日千里”。使用者不会察觉到，但是科学研究人员早就有先见之明，明了这种一日千里的需求，当然是对半导体工业极高的推崇，但是同时也是逼迫硅晶半导体科技早日走上绝路的推动力。当今的半导体产业协会(Semiconductor Industrial Association)有一张科技蓝图，其中有一部分，预计在 5–10年内使用的技术至今仍属空白，但其中应会有一半以上在这段时期内可以得到解决，另一部分则以取代方式或根本放弃原有想法而另外寻找思考方向来解决。这些科技解决方案的发展、来龙去脉可称为20世纪末期延伸至21世纪初期科技发展的“伊利亚德”(长篇史诗)。
    
     近日一则消息是关于IBM最近的发现，一种所谓纳米碳管“Carbon Nano-tube”(简称 CNT)，不但具有半导体特性，而且具有比当前IC小 10,000 倍的尺寸。这对全球学术界、科技界及工业界造成了一股震撼。硅晶体电子组件，到了20世纪末的发展速度极为惊人，其集成电路的密度，每12个月即增加一倍左右，以这种惊人的速度，在未来10年、20年内，硅晶体组件将会到达其物理极限，届时人类的电子科技是否将完全停顿？这似乎不太可能，因此固态物理学者尽其所能寻找硅晶体的取代物。IBM 最近所发展的纳米碳管是属碳族，在周期表上与硅 (Silicon) 和锗 (Germanium) 为同一族，而其排列顺序依次为碳 (C)、硅 (Si)、锗 (Ge)、锡 (Sn)、铅 (Pb)，而以碳原子居首位。
    
     自从 20世纪80 年代，固态物理学系即对于将碳原子制成半导体组件充满了兴趣，因为碳原子与硅和锗为同一族元素，化学特性上非常相近，而且在组件发展的最早期的历史中，第一个晶体管是以锗材料制成，但由于硅晶体具有多项比锗晶体优异的特性，晶体管的材料在短短的一、两年内，立即由锗转换成硅，继而成为往后集成电路的主流，但是锗并非一无是处。读者或许注意到，最近几年来发展非常快速的硅锗 (SiGe) 合金组件已在先进国家成为另一支半导体组件新技术。SiGe 因 Si 与 Ge 之间存在能隙差 (energy band gap difference)，如果巧妙利用这种能隙差的关系，用非常精密的磊晶技术，将 Si 和 Ge 之间以相间的晶体层排列，则可以达到所谓的heterojunction bipolan transistor (HBT) 结构。具有这种结构的半导体组件，若设计得宜，可以用于高频、超高频或微波范围内的信号放大器。目前 SiGe 的使用频率应以蓝牙(Blue Tooth)的2.5 GHz 标准为主流，未来应可达到更高频的应用。半个世纪以来，硅晶体对于半导体的贡献及应用是世人有目共睹的，而半个世纪之前的第一个晶体管是以锗材料制成，若称其为本世纪最重要的发明也不为过，该发明的三位科学家 Bardeen、Brattain 和 Shocklery 共同分享了 1947年的诺贝尔物理奖。
    
     到了21世纪的今天，当硅晶体对于集成电路的应用似乎已被推至极限时，SiGe 合金结构的实时推出，暂时缓和了技术上穷途末路的窘状，与硅锗居于同一族的碳自然成为各家考虑的焦点。碳 (carbon) 位居周期表第六元素，可具有多种面貌。炭黑 (carbon black)是一维空间长链型的碳结构。碳黑或有机碳源如甲烷 (CH4)或乙烷 (C2H2)，加热至 800-900有可能转化成石墨 (graphite)，此为六面体，具有二维空间的平面晶体结构，各平面之间只以凡德瓦兰力结合，因此层与层之间非常容易剥落。石墨具有优良的金属特性、属优良导体，若非其层次结构，石墨的六角形实为非常坚强的晶体结构。除了炭黑以及石墨之外，碳原子的第三种结构即为其最有名的钻石结构，这种结构是一种三维空间的立体结构，为至今全世界最坚硬的材料结构。钻石中碳的 S 原子轨道与三个P轨道，结合而成一个复合的 SP3 立体结构，因此形成坚强的键结，而石墨之中 S 键结与两个P键结合成 SP2 结构。而最重要的一点是，目前最重要的半导体材料——硅晶体所具有的是 SP3 的钻石结构，因而固态物理学家最先想得到的是与硅晶体具有相同结构且为同一族的 SP3 钻石晶体。钻石与其它的两种结构SP1的炭黑和 SP2 的石墨根本不同在哪里？在密度、在排列、在形成的条件。其中以 SP3 的钻石密度最高，石墨次之，而炭黑居末；而形成的条件以炭黑最容易，石墨次之，必须在具控制条件的密闭容器中方可形成，钻石最困难。有名的 General Electric (GE) 在一千多度的高温下加上数千个大气压，可以利用碳为原料合成工业用钻石，这是因为碳的相图(phase diagram) 显示高温、高压有利于 SP2 的石墨结构转化成 SP3 的钻石结构，理论是如此显示，而技术上也可以做到，但是这种温度和压力的条件都不是一般公司可以负担得起的制造方法。
    
     为何人类会对利用钻石制成集成电路抱着希望？这种期望并非无中生有，原来在天然原石中，经常发现掺有杂质的钻石而且大部分原石都多多少少具有杂质。最常见的是掺有氮(nitrogen) 元素的钻石原石，成分高者稍带黄色或绿色，严重者则近于褐色，是各种钻石类别中最常见者；其次为掺有硼 (boron) 的原石，成分较高者呈蓝色。无论是掺杂着氮或硼的原石，经过检测结果均呈半导体反应，其中含氮者表现出N-型半导体特性，而含硼者表现出 P- 型半导体的特性，但是钻石的能隙相当高 (大约 5.5eV)，而氮元素的N-型杂质的电子能阶落于低于导电带 (Conduction band) 以下相当深处，因此其 N- 型半导体行为很难被利用来制造组件。至于硼原子则好了许多，已具有相当浅的电洞能阶，因此在 P- 型的半导体表现上还差强人意。以上两型原石均被分析研究且证明了其整流和光感放应。
    
     过去的教科书都说钻石必须在高温、高压下始能形成。大约在 20世纪60 年代末到 70 年代初，一组苏俄科学家以电浆的技术，在比以往较低的温度 (900℃) 以及低于常压的条件下，以甲烷 (CH4) 为原料成功地合成了人造薄膜钻石，此技术到 1984 年左右才为美国人所得知，因此也为西方的半导体科技界揭开了另一篇史诗，材料物理学家希望藉由低温、低压的电浆科技寻找到下一代的半导体材料。为什么低温低压的电浆具有如此大的吸引力？因为这正是当前许多半导体材料合成的技术——电浆辅助气相沉积 (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition 简称 PECVD)。采用PECVD的方法，一切变得单纯多了，钻石的元素——碳可以采用甲烷作为原料，而 P- 型半导体掺杂物以硼烷 (B2H6)、N- 型半导体掺杂物以磷烷 (PH3) 为原料。
    
     从 1984 年至今，钻石半导体的发展遇到一个瓶颈，掺硼的P-型半导体钻石被证实可行，但是掺氮的 N- 型半导体由于能阶过深无法被有效利用，因而转向寻求以磷 (phosphorous) 取代的可能性。磷虽然在硅晶体中具有良好的N-型半导体表现，但似乎很难在碳晶体中具有相同的优异表现，碳晶半导体的追寻因此告一段落，但在追寻途中却有了意外的收获。
    
     一组德州科学家以石墨作成一对电极，之间通过极大的电流，在其所产生的生成物中，发现一种前所未见的碳结构，它既非六面体的石墨 (SP2) 结构、也非 SP3 立体的钻石结构，而是一种混合了 SP2 和 SP3 的六面体和五面体的混合结构，其整体酷似球的造型，系由六角型和五角型的平面组合一个球型外观，被命名为bucky ball且有一个学名称为 fullerene。这种球型结构具有 60 个碳原子，另有一种衍生体具有 70 个碳原子，分别简称为 C-60 以及 C-70，后者并非为球状而是稍呈长型的橄榄状。科学家对 C-60 以及 C-70 作了不少研究，发现这些新产物有些奇异的特性，例如掺杂某些杂质可呈超导特性等等，相当有趣。
    
     更有趣的是这种五面体和六面体合成的碳结构并非只有 C-60 和 C-70，而是可以延伸成为长条型结构，即为当今被提及的carbon nano-tube (CNT)。在IBM发表 CNT 有半导体的作用之前，CNT 的研究早已在先进国家的科学界如火如荼地进行着，其中最广为人知的是以 CNT 制成的场发射显示器(field emission display简称 FED)。其原理与真空管相同，每一个像素 (pixel) 制成一微型真空管，而电子则由阴极经纳米碳管射向 50-100 微米大小的荧光带而造成像素，CNT-FED 的转变效率比液晶高数倍，并且有很高的切换速率和分辨率(因为每一个像素本身即为一微型真空管)，然而 CNT 的应用不止于此。
    
     此次 IBM 所发表的 CNT 晶体管实际已作成逻辑电路，已超越单一晶体管的功能。逻辑组件是构成计算机的基本要素，一旦发展出来，用 CNT 制成计算机即有了一丝希望，虽然该发言人提到技术要发展到可应用程度约需10年左右的时间，目前的硅晶体的集成电路技术，10-15 年将会走到极限，而 CNT 的尺寸为当前硅晶 IC 的万分之一，一旦研究成功可以为未来的需求开创出一个新纪元。