碳納米管電晶體離商業現實更近了一步，因為麻省理工學院的研究人員已經證明，這些設備可以在商業設施中迅速製造，其設備與製造矽基電晶體的設備相同，而矽基電晶體是當今計算行業的支柱。

碳納米管場效應電晶體（CNFET）比矽場效應電晶體更節能，可用於構建新型的三維微處理器。但直到現在，它們大多存在於學術實驗室中，只少量製作用於學術實驗用。

然而，在6月1日發表在《自然電子》上的一項研究中，科學家們展示了如何在計算機晶片設計行業標準的200毫米晶圓上大量製造CNFET。CNFET 在美國一個商業矽製造工廠和一家半導體鑄造廠中製造。

麻省理工學院電氣工程和計算機科學助理教授馬克斯·舒拉克和他的同事，在分析了用於製造CNFET的沉積技術後，和他的同事們做了一些改變，使製造過程比傳統方法快了1100多次，同時也降低了生產成本。該技術將碳納米管邊緣沉積在晶圓的邊緣，14，400個由14，400陣列進行CFNET，分佈在多個晶圓上。

舒拉克（Shulaker）自博士時代起就一直在設計CNFET，他說，新研究表明「這是向生產級設施邁進的一大步。」

彌合實驗室和工業之間的差距是研究人員"不常有機會做的事情"，舒拉克補充道。"但它是新興技術的重要試金石。

麻省理工學院的其他研究人員包括第一作者明迪·畢曉普（Mindy D. Bishop）。 哈佛-麻省理工學院健康科學與技術計劃的學生，蓋奇·希爾斯（Gage Hills），如來他尼（Tathagata Srimani）和克里斯蒂安·劉（Christian Lau）。

解決意大利麵的問題

幾十年來，矽電晶體製造的改進降低了價格，提高了計算的能源效率。然而，這一趨勢可能接近尾聲，因為越來越多的電晶體被封裝在集成電路中，已經沒有了提高能源效率空間。

舒拉克說，CNFET是一種有吸引力的替代技術，因為它們比矽基電晶體"能效高一個數量級"。

與矽基電晶體不同，在450至500攝氏度左右的溫度下製造，CNFET也可以在近室溫度下製造。「這意味着您實際上可以在先前製造的電路層之上直接構建電路層，以創建三維晶片。」舒拉克解釋說 「基於矽的技術不能做到這一點，因為會熔化下面的電路層。」

他說，一種三維計算機晶片，可以結合邏輯和內存功能，預計將"擊敗最先進的二維晶片由矽生產的數量級"。

在實驗室中構建CFNET的最有效方法之一是沉積納米管的方法，稱為孵化。在這種方法中，將晶片浸入納米管浴中，直到納米管粘在晶片表面上。

畢曉普說，CNFET的性能很大程度上取決於沉積過程，這既影響晶圓表面的碳納米管的數量，也影響其方向。她說，它們「要麼像煮熟的意大利麵條那樣以隨機的方向粘貼在晶圓上，要麼像未煮過的意大利麵條一樣都以相同的方向排列在包裝中」。

在 CNFET 中完美對齊納米管可帶來理想的性能，但很難獲得對齊。"在200毫米大晶圓上以完美的方向放置數十億個直徑1納米的微小納米管真的很難。"畢曉普解釋道，「要將這些微小的東西完美地放在晶圓中，就像試圖用完全定向的干意大利麵覆蓋整個新罕布殊爾州一樣。」

孵化方法雖然適用於工業，但根本不對納米管進行對齊。畢曉普說，它們最終更像煮熟的意大利麵片，研究人員最初認為這種意大利麵不能提供足夠高的CNFET性能。然而，經過他們的實驗，她和她的同事得出結論，簡單的孵化過程將有助於生產出CNFET優於矽基電晶體。

燒杯之外的CNFET

對孵化過程的仔細觀察，向研究人員展示了如何改變該過程，以使其更適於工業生產。例如，他們發現乾式循環（一種間歇性地乾燥浸沒的晶圓的方法）可以將孵化時間從48小時大幅減少到150秒。

另一種稱為ACE（通過蒸發的人工濃縮）的新方法將少量納米管溶液沉積在晶片上，而不是將晶片浸沒在槽中。溶液的緩慢蒸發增加了碳納米管的濃度和沉積在晶片上的納米管的總密度。

畢曉普說，必須先進行這些更改，然後才能在工業規模上嘗試該工藝：「在我們的實驗室中，我們可以將晶圓在燒杯中放置一個星期，效果非常好，但是對於公司而言，沒有這麼奢侈時間。」

她說，「非常簡單的測試」幫助他們理解和改進了孵化方法，「對於解決學者們在考慮建立新流程時可能沒有的，但肯定有行業的關注，事實證明這一點非常重要。 」

研究人員與商業矽製造廠Analog Devices和半導體鑄造廠SkyWater Technology合作，使用改進的方法製造CNFET。他們能夠使用兩個製造矽基晶片工廠的相同設備，同時還確保納米管解決方案，滿足工廠對化學和污染物的嚴格要求。

畢曉普說：「我們非常幸運能與我們的行業合作者緊密合作，了解他們的要求並通過他們的投入來疊代我們的開發。」畢曉普指出，這種合作關係幫助他們開發了自動化、大批量和低成本的流程。

舒拉克補充說，這兩個設施顯示出「對研發和探索前沿技術的認真承諾」。

他說，下一步工作將是在工業環境中利用CNFET構建不同類型的集成電路，並探索3-D晶片可以提供的一些新功能。 「下一個目標是將學術上有趣的東西轉化成人們將要使用的東西，我認為這是朝這個方向邁出的非常重要的一步。」