奈米碳管的邏輯元件
文／鄭光凱
*節錄*
其實本文的主題在於半導體的未來或壽命也罷，
注意報章雜誌的讀者會看到一則消息，是刊登IBM最近的發現，
一種所謂奈米碳管 "Carbon Nano-tube"(或簡稱為 CNT)，
非但具有半導體特性且具有比當前的 IC 尺寸小上 10,000 倍，
這種訊息對全世界的學術界科技界及工業界造成了一股震撼。
矽晶體電子元件，到了二十世紀的末期的發展速度極為驚人，
其積體電路的密度，每十二個月即增加一倍左右，
以這種驚人的速度，在未來十年、二十年內，
矽晶體元件將會到達其物理極限，屆時人類的電子科技是否將完全停頓？
這似乎不太可能，因此固態物理學者則盡其所能尋找矽晶體的取代物。
IBM 最近所發展的柰米碳管是屬碳族，
在週期表上與矽 (Silicon) 和鍺 (Germanium) 為同一族，
而其排列順序依次為碳 (C)、矽 (Si)、鍺 (Ge)、錫 (Sn)、鉛 (Pb)，
而以碳原子居首位。固態物理學系，自從 1980 年代，
即對於將碳原子製成半導體元件充滿了興趣，
因為碳原子與矽和鍺為同一族元素，化學特性上非常相近，
而且在元件發展的最早期的歷史中，第一個電晶體是以鍺材料製成，
但由於矽晶體具有多項比鍺晶體優異的特性，
電晶體的材料在短短的一、兩年內，立即由鍺轉換成矽，
繼而成為往後積體電路的主流，但是鍺並非一無是處。
讀者或許注意到，最近幾年來發展非常快速的矽鍺 (SiGe) 合金元件
已在先進國家成為另一支半導體元件新技術。SiGe 因 Si 與 Ge 之間
能隙差 (energy band gap difference)，
若巧妙的利用這種能隙差之關係，用非常精密的磊晶技術，
將 Si 和 Ge 之間以相間之晶體層排列，
可以達到所謂的heterojunction bipolan transistor (HBT) 之結構，
具有這種結構的半導體元件，若設計得宜，
可以用於高頻、超高頻或微波範圍內的信號放大器。
目前 SiGe 的使用頻率應以藍芽(Blue Tooth)之2.5 GHz 標準為主流，
未來應可達到更高頻的應用。
半世紀以來，矽晶體對於半導體的貢獻及應用是世人有目共睹，
而半世紀之前的第一個電晶體是以鍺材料製成，
若稱此作品為本世紀最重要之發明也不為過，
其發明之三位科學家 Bardeen、Brattain 和 Shocklery 共同分享了
1947年的諾貝爾物理獎。
到了二十一世紀的今天，當矽晶體對於積體電路的應用似乎已被推至極限，
SiGe 合金之結構的即時推出，暫時緩和了技術上窮途末路的窘狀，
與矽鍺居於同一族的碳自然成為各家考慮的焦點。
碳 (carbon) 位居週期表第六元素，可具有多種面貌。
在早期天然瓦斯未被充分利用之時，吾人多採用木柴或木炭炊物，
經常可在炊具下方發現一層層黑得不可再黑的炭燻層，
此為炭黑 (carbon black)，是為一度空間長鏈型的碳結構。
碳黑或有機碳源如甲烷 (CH4)或乙烷 (C2H2)，
加熱至 800-900℃ 有可能轉化成石墨 (graphite)，此為六面體，
具有二度空間的平面晶體結構，各平面之間只以凡德瓦蘭力結合，
因此層與層之間非常容易剝落，其最佳代表作為鉛筆蕊，俗稱為鉛筆心，
實為石墨所構成，各層本身為具有高度次序的六面體晶體結構 (hexagonal)，
但是層與層之間只依賴最弱的凡得瓦原力結合。
品質優良的石墨材質應為鐵灰色，就以吾人看到，
利用高品質鉛筆心寫字的顏色具有金屬特性的單原子層結構，
沒錯，石墨在其二度空間的結構中具有優良的金屬特性、優良導體，
若非其層次結構，石墨的六角形實為非常堅強的晶體結構。
除了炭黑以及石墨之外，碳原子的第三種結構即為其最有名的鑽石結構，
這種結構是為一種三度空間的立體結構，為至今全世界最堅硬的材料結構。
鑽石中碳的 S 原子軌道與三個P軌道，結合而成一個複合的 SP3 立體結構，
因此而造成其堅強鍵結之主因，
而石墨之中 S 鍵結與兩個P鍵結合成 SP2 結構，
而最重要的一點是，目前最重要的半導體材料─矽晶矽所具有的是 SP3 的鑽石結構，
因而固態物理學家最先想得到的一定是與矽晶體具有相同結構
且為同一族的 SP3 鑽石晶體。
鑽石與其他的兩種結構SP1的炭黑和 SP2 的石墨根本不同在那裡？
在密度、在排列、在形成的條件，
其中以 SP3 的鑽石密度最高，石墨次之，而炭黑居末；
而形成的條件以炭黑最容易，一般的炊具下方均可發現，
而石墨次之，必須在具控制條件的密閉容器中方可形成，而以鑽石為最困難。
有名的 General Electric (GE) 在一千多度的高溫下加上數千個大氣壓，
可以利用碳為原料合成工業用鑽石，
這是因為碳的相圖(phase diagram) 顯示高溫、高壓有利於 SP2 的石墨結構
轉化成 SP3 的鑽石結構，理論是如此顯示，而技術上也可以做到，
但是這種溫度和壓力的條件都不是一般公司可以負擔得起的製造方法，
因此人造鑽石非但是保持高度商業機密，
也只是類似GE的超級公司才可以進入的領域。
為何人類會對利用鑽石製成積體電路抱著希望？
這種期望並非無中生有，原來在天然原石中，
經常發現摻有雜質的鑽石而且大部分原石都多多少少具有雜質。
最常見的是摻有氮(nitrogen) 元素的鑽石原石，
成分高者稍帶黃色或綠色，嚴重者則近於褐色，是各種鑽石類別中最常見者；
其次為摻有硼 (boron) 之原石，成分較高者呈藍色。
無論是摻雜著氮的原石或摻雜硼的原石，
經過撿測結果均呈半導體反應，其中含氮者表現出N-型半導體，
而含硼者表現出 P- 型半導體的特性，
但是鑽石的能隙相當高 (大約 5.5eV)，而氮元素的N-型雜質
的電子能階落於低於導電帶 (Conduction band) 以下相當深處，
因此其 N- 型半導體行為很難被利用來製造元件，
至於硼原子則好了許多，已具有相當淺的電洞能階，
因此在 P- 型的半導體表現上還差強人意。
以上兩型的原石均分別被分析研究且證明其整流和光感放應。
過去的教科書都說鑽石必須在高溫、高壓下始能形成。
大約在 1960 年代末期到 1970 年代初期，
一組蘇俄科學家以電漿的技術，在比以往較低的溫度 (900℃)
以及低於常壓的條件下，以甲烷 (CH4) 為原料成功地合成了人造薄膜鑽石，
此一技術一直到了 1984 年左右才為美國人所得知，
因此也為西方的半導體科技界揭開了另一篇史詩，
材料物理學家希望藉由低溫、低壓的電漿科技尋找到下一代的半導體材料。
為什麼低溫低壓的電漿具有如此大的吸引力？
因為這正是當前許多半導體材料合成的技術─電漿輔助氣相沈積
(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition 或簡稱為 PECVD)。
採用PECVD的方法，一切變得單純多了，鑽石的元素─碳可以採用甲烷作為原料，
而 P- 型半導體摻雜物是以硼烷 (B2H6)，
N- 型半導體摻雜物則可以磷烷 (PH3) 為原料。
自從 1984 年至今，鑽石半導體的發展遇到一個瓶頸，
摻硼的P-型半導體鑽石被證實可行，
但是摻氮的 N- 型半導體由於能階或深無法被有效利用，
因而轉向尋求以磷 (phosphorous) 取代之可能性。
磷雖然在矽晶體中具有良好的N-型半導體表現，
但似乎很難在碳晶體中具有相同的優異表現，
碳晶半導體的追尋因此告一段落，但在追尋途中卻有了意外的收獲。
一群德州科學家以石墨作成一對電極，之間通過極大的電流，
在其所產生的生成物中，發現一種前所未見的碳結構，
它既非六面體的石墨 (SP2) 結構、並非 SP3 立體的鑽石結構，
而是一種混合了 SP2 和 SP3 的六面體和五面體的混合結構，
其整體酷似是球的造型，係由六角型和五角型的平面組合一個球型外觀，
被命名為bucky ball且有一個學名稱為 fullerene。
這種球型結構具有 60 個碳原子，另有一種衍生體具有 70 個碳原子，
分別簡稱為 C-60 以及 C-70，後者並非為球狀而是稍呈長型的橄欖狀。
科學家在 C-60 以及 C-70 作了不少研究，
發現這些新產物有些奇異的特性，例如摻雜某些雜質可呈超導特性等等，
相當有趣，更有趣的是這種五面體和六面體合成的碳結構並非只有 C-60 和 C-70，
而是可以延伸成為長條型結構，即為當今被提及的carbon nano-tube (CNT)。
在IBM發表 CNT 有半導體的作用之前，
CNT 的研究早已在先進國的科學界如火如荼的進行著，
其中最廣為人知的是以 CNT 製成的
場發射顯示器(field emission display或簡稱 FED)，
其原理與真空管相同，每一個像素 (pixel) 製成一微型真空管，
而電子則由陰極經由奈米碳管射向 50-100 微米大小的螢光帶而造成像素，
CNT-FED 的轉變效率比液晶高數倍，
並且有很高的切換速率和解析度(因為每一個像素本身即為一微型真空管之故)，
然而 CNT 的應用乃不止於此。
此次 IBM 所發表的 CNT 電晶體實已作成邏輯電路，
實已超越單一電晶體的功能，邏輯元件是構成電腦的基本要素，
一旦發展出來，用 CNT 製成電腦即有了一絲希望，
雖然該發言人提到技術要發展到可應用程度約需十年左右的時間，
目前的矽晶體的積體電路技術，10-15 年將會走到極限，
而 CNT 的尺寸為當前矽晶 IC 的萬分之一，
一旦研究成功當可以為未來的需求開出一個新紀元。
我們將拭目以待且盼望有更進一步的發展。
作者簡介
鄭光凱先生美國紐約州大石溪分校電機博士。
現職：晶研科技董事長兼總經理﹔
經歷：美國朗訊科技貝爾實驗室研究員、
美國朗訊科技先進材料研究室電漿製程技術顧問、
美國國防部研究子計劃主持人、美國物理學院（AIP）論文審查員。
學術論文：30 餘篇。專利：共 8 項。
[資料來源]fansi工業社群網站
http://www.fansi.net/Home.asp