奈米碳管的逻辑元件
文／郑光凯
*节录*
其实本文的主题在于半导体的未来或寿命也罢，
注意报章杂志的读者会看到一则消息，是刊登IBM最近的发现，
一种所谓奈米碳管 "Carbon Nano-tube"(或简称为 CNT)，
非但具有半导体特性且具有比当前的 IC 尺寸小上 10,000 倍，
这种讯息对全世界的学术界科技界及工业界造成了一股震撼。
硅晶体电子元件，到了二十世纪的末期的发展速度极为惊人，
其积体电路的密度，每十二个月即增加一倍左右，
以这种惊人的速度，在未来十年、二十年内，
硅晶体元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，因此固态物理学者则尽其所能寻找硅晶体的取代物。
IBM 最近所发展的柰米碳管是属碳族，
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。固态物理学系，自从 1980 年代，
即对于将碳原子制成半导体元件充满了兴趣，
因为碳原子与硅和锗为同一族元素，化学特性上非常相近，
而且在元件发展的最早期的历史中，第一个电晶体是以锗材料制成，
但由于硅晶体具有多项比锗晶体优异的特性，
电晶体的材料在短短的一、两年内，立即由锗转换成硅，
继而成为往后积体电路的主流，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) 合金元件
已在先进国家成为另一支半导体元件新技术。SiGe 因 Si 与 Ge 之间
能隙差 (energy band gap difference)，
若巧妙的利用这种能隙差之关系，用非常精密的磊晶技术，
将 Si 和 Ge 之间以相间之晶体层排列，
可以达到所谓的heterojunction bipolan transistor (HBT) 之结构，
具有这种结构的半导体元件，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 的使用频率应以蓝芽(Blue Tooth)之2.5 GHz 标准为主流，
未来应可达到更高频的应用。
半世纪以来，硅晶体对于半导体的贡献及应用是世人有目共睹，
而半世纪之前的第一个电晶体是以锗材料制成，
若称此作品为本世纪最重要之发明也不为过，
其发明之三位科学家 Bardeen、Brattain 和 Shocklery 共同分享了
1947年的诺贝尔物理奖。
到了二十一世纪的今天，当硅晶体对于积体电路的应用似乎已被推至极限，
SiGe 合金之结构的即时推出，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。
在早期天然瓦斯未被充分利用之时，吾人多采用木柴或木炭炊物，
经常可在炊具下方发现一层层黑得不可再黑的炭燻层，
此为炭黑 (carbon black)，是为一度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，
具有二度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，其最佳代表作为铅笔蕊，俗称为铅笔心，
实为石墨所构成，各层本身为具有高度次序的六面体晶体结构 (hexagonal)，
但是层与层之间只依赖最弱的凡得瓦原力结合。
品质优良的石墨材质应为铁灰色，就以吾人看到，
利用高品质铅笔心写字的颜色具有金属特性的单原子层结构，
没错，石墨在其二度空间的结构中具有优良的金属特性、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，
这种结构是为一种三度空间的立体结构，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，
因此而造成其坚强键结之主因，
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─硅晶硅所具有的是 SP3 的钻石结构，
因而固态物理学家最先想得到的一定是与硅晶体具有相同结构
且为同一族的 SP3 钻石晶体。
钻石与其他的两种结构SP1的炭黑和 SP2 的石墨根本不同在那里？
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，一般的炊具下方均可发现，
而石墨次之，必须在具控制条件的密闭容器中方可形成，而以钻石为最困难。
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，
因此人造钻石非但是保持高度商业机密，
也只是类似GE的超级公司才可以进入的领域。
为何人类会对利用钻石制成积体电路抱着希望？
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) 之原石，成分较高者呈蓝色。
无论是掺杂着氮的原石或掺杂硼的原石，
经过捡测结果均呈半导体反应，其中含氮者表现出N-型半导体，
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元件，
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。
以上两型的原石均分别被分析研究且证明其整流和光感放应。
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 1960 年代末期到 1970 年代初期，
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，
此一技术一直到了 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，
材料物理学家希望借由低温、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 或简称为 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- 型半导体掺杂物是以硼烷 (B2H6)，
N- 型半导体掺杂物则可以磷烷 (PH3) 为原料。
自从 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- 型半导体由于能阶或深无法被有效利用，
因而转向寻求以磷 (phosphorous) 取代之可能性。
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。
一群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、并非 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，
其整体酷似是球的造型，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。
科学家在 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的科学界如火如荼的进行着，
其中最广为人知的是以 CNT 制成的
场发射显示器(field emission display或简称 FED)，
其原理与真空管相同，每一个像素 (pixel) 制成一微型真空管，
而电子则由阴极经由奈米碳管射向 50-100 微米大小的萤光带而造成像素，
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之故)，
然而 CNT 的应用乃不止于此。
此次 IBM 所发表的 CNT 电晶体实已作成逻辑电路，
实已超越单一电晶体的功能，逻辑元件是构成电脑的基本要素，
一旦发展出来，用 CNT 制成电脑即有了一丝希望，
虽然该发言人提到技术要发展到可应用程度约需十年左右的时间，
目前的硅晶体的积体电路技术，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，
一旦研究成功当可以为未来的需求开出一个新纪元。
我们将拭目以待且盼望有更进一步的发展。
作者简介
郑光凯先生美国纽约州大石溪分校电机博士。
现职：晶研科技董事长兼总经理﹔
经历：美国朗讯科技贝尔实验室研究员、
美国朗讯科技先进材料研究室电浆制程技术顾问、
美国国防部研究子计划主持人、美国物理学院（AIP）论文审查员。
学术论文：30 余篇。专利：共 8 项。
[资料来源]fansi工业社群网站
http://www.fansi.net/Home.asp