カーボンナノチューブから生まれたプロセッサ、動作に成功：材料技術

　米スタンフォード大学（Stanford University）の研究チームは、カーボンナノチューブ（CNT）製のトランジスタを集積したプロセッサを開発したと発表、実際の動作も披露した。CMOSの設計プロセスにナノチューブを統合することで、カーボンベースの半導体が直面する大きな課題を克服したという。

　CNTは、直径0.4〜50nmの筒状のピュアカーボンで、約10年前に理想的なトランジスタ材料として登場した。CNTトランジスタは、シリコントランジスタと比べて、電子移動度が速く、消費電力が低い。CNTはこれまでにもIBMなどが発表しているが、2つの問題があったため本格的な開発には至らなかった。

　2つの問題とは、完全な直線状のアレイを構築できないことと、半導体性CNTと金属性CNTの選別が難しいことである。その結果、現在では大部分の研究者が、CNTからグラフェンに研究対象を移行させている。グラフェンは、従来のCMOS技術を適用しやすいからだ。

　スタンフォード大学の研究チームは、今回開発した技術を「欠陥免疫設計（imperfection-immune design）」と呼ぶ。今後は、この技法の開発をさらに進めるつもりだという。

　研究チームは、Subhasish Mitra教授とH.S. Philip Wong教授、博士候補生のMax Shulaker氏で構成されている。Mitra教授は、「欠陥免疫設計とプロセス技術の進展により、CNTの使用に伴う課題を克服することができた。われわれが抱えている大きな課題は、設計と製造の両面における、既存のシリコンCMOS技術との互換性である」と語っている。

水晶基板上でCNTアレイを成長させる

　同研究チームは、化学気相成長法（CVD：Chemical Vapor

Deposition）により、CNTを正確な配列（アレイ）で並べて成長させることに成功した。

　過去にも多くの手法が試されてきたが、CNTはシリコン基板上で成長する過程で曲がってしまうため、正確な配列を作成できなかった。そのため、高密度トランジスタを作成するには、この問題を克服できる最適な設計が必要だった。スタンフォード大学の新しい手法では、まず水晶基板上でCNTアレイを成長させてから、シリコンウエハーにそのアレイを転写する。水晶基板上では、CNTの99.5％が直線状に並ぶという。

　欠陥免疫設計技術は、金属性CNTと半導体性CNTの判別が難しいという問題も解決できるという。現在のCNT製造技術では、金属性と半導体性が混在してしまう。これは、CNTをトランジスタチャネルとして使用する場合に問題となる。金属性CNTを使うと、オフできないトランジスタになってしまうからだ。そのため、トランジスタには半導体性CNTだけを使わなければならない。

　スタンフォード大学の研究チームは、金属性CNTを除去するために、電気絶縁破壊技術を使用した。まず、すべての半導体性CNTをオフに切り替えてから、金属性CNTに電流を流して破壊する。ヒューズのように、絶縁されている半導体性CNT以外の全ての回路を遮断する仕組みだ。

　同チームはこうした手法によって、178個のCNTを搭載したプロセッサを開発し、実際に動作させることにも成功した。このプロセッサは、MIPSアーキテクチャの命令セットのうち20個の命令を実行できるという。

スタンフォード大学が開発した、カーボンナノチューブ製のトランジスタ。シリコンウエハー上に作成している

　同研究は、米国立科学財団（NSF：National Science Foundation）、SONIC（Systems On Nanoscale Information fabrics Center）、スタンフォード大学大学院生奨学金基金、Hertz Foundation奨学金基金から資金提供を受けて実施されている。

【翻訳：滝本麻貴、編集：EE Times Japan】