Технология 90-нм узловых углеродных нанотрубок.
а — Транзисторы из углеродных нанотрубок на основе массивов нанотрубок с контактным шагом затвора 175 нм. 
b, Выходные характеристики транзисторов на углеродных нанотрубках с контактным шагом затвора 175 нм.
c, СЭМ-изображение в ложных цветах репрезентативной ячейки 6T-SRAM с шагом контактного затвора 175 нм и площадью 0,976 мкм². Масштабная линейка 200 нм.
d, сравнение сверхмасштабируемой ячейки A-CNT 6T-SRAM с кремниевыми технологическими узлами 130 нм, 90 нм и 45 нм для длины затвора, шага контактного затвора (CGP) и площади ячейки SRAM.
Кредит: Лин и др.

Углеродные нанотрубки, большие цилиндрические молекулы, состоящие из гибридизованных атомов углерода, расположенных в гексагональной структуре, в последнее время привлекли значительное внимание инженеров-электронщиков. Благодаря своей геометрической конфигурации и выгодным электронным свойствам эти уникальные молекулы могут быть использованы для создания меньших полевых транзисторов (FET), которые демонстрируют высокую энергоэффективность.

Полевые транзисторы на основе углеродных нанотрубок потенциально могут превзойти более мелкие транзисторы на основе кремния, однако их преимущество в реальных реализациях еще предстоит убедительно продемонстрировать. В недавней статье исследователей из Пекинского университета и других институтов Китая, опубликованной в журнале Nature Electronics, описывается реализация полевых транзисторов на основе углеродных нанотрубок, которые можно масштабировать до размеров 10-нм кремниевых технологических узлов.

«Недавний прогресс в создании массивов полупроводниковых углеродных нанотрубок высокой плотности в масштабе пластины приблизил нас на один шаг к практическому использованию углеродных нанотрубок в схемах CMOS», — сказал Phys.org Чжиюн Чжан, один из исследователей, проводивших исследование. «Однако предыдущие исследования в основном были сосредоточены на масштабировании длины канала или затвора транзисторов из углеродных нанотрубок при сохранении больших размеров контактов, что неприемлемо для КМОП-схем высокой плотности в практических приложениях.

«Наша основная цель этой работы — изучить реальную возможность масштабирования массивов углеродных нанотрубок с использованием двух показателей качества в кремниевой промышленности, то есть шага контактного затвора и площади ячейки 6T SRAM, при сохранении преимуществ в производительности».

Чжан и его коллеги, по сути, намеревались продемонстрировать практическую ценность транзисторов из углеродных нанотрубок, показав, что они могут превзойти обычные полевые транзисторы на основе кремния с сопоставимым шагом затвора и площадью ячейки SRAM 6T. Для этого они сначала изготовили полевые транзисторы на основе массивов углеродных нанотрубок с шагом контактного затвора 175 нм. Этот шаг затвора был реализован путем масштабирования длины затвора и длины контакта до 85 нм и 80 нм соответственно.

«Примечательно, что транзисторы продемонстрировали впечатляющий ток в открытом состоянии 2,24 мА/мкм и пиковую крутизну 1,64 мСм/мкм, превзойдя электронные характеристики кремниевых 45-нм узловых транзисторов», — сказал Чжан. «Кроме того, ячейка 6T SRAM, состоящая из этих сверхмасштабированных транзисторов с нанотрубками, была изготовлена с размером 1 мкм² и функционирует правильно. Затем мы исследовали основное препятствие, то есть контактное сопротивление транзисторов из углеродных нанотрубок, для дальнейшего масштабирования».

Технология углеродных нанотрубок размером менее 10 нм. 
а, СЭМ и ПЭМ-изображения поперечного сечения ультрамасштабного транзистора из углеродных нанотрубок с шагом контактного затвора 61 нм, длиной затвора (Lg) 35 нм и Lcon 16 нм. Шкала изображения SEM: 200 нм; изображения ПЭМ: 100 нм. 
b, сравнение ионов при различных CGP для полевых транзисторов с углеродными нанотрубками в этой работе с данными для других зарегистрированных ориентированных полевых транзисторов с углеродными нанотрубками и кремниевой технологии. 
Кредит: Лин и др.

Прошлые исследования показали, что при следовании широко распространенной контактной схеме, известной как «боковой контакт», носители заряда могут инжектироваться только с поверхности углеродных нанотрубок. Это делает сопротивление нанотрубок зависимым от длины, ограничивая степень их миниатюризации.

Чтобы решить эту проблему, Чжан и его коллеги представили новую схему, которую они называют «полным контактом». Эта схема предполагает разрезание обоих концов углеродных нанотрубок перед формированием контакта, что, в свою очередь, позволяет инжектировать часть носителей с этих концов.

«Эта новая схема контактов позволяет дополнительно уменьшить масштаб транзисторов из углеродных нанотрубок до шага контактного затвора менее 55 нм, что соответствует технологическому узлу кремния 10 нм, в то же время превосходя кремниевые транзисторы узла 10 нм из-за высокой подвижности носителей и скорости Ферми», — сказал Чжан. «Наша работа экспериментально продемонстрировала настоящую технологию узлов 90 нм с использованием углеродных нанотрубок, которые можно было бы сделать геометрически меньше и предложить электронные характеристики, превосходящие кремниевые транзисторы узлов 90 нм».

В этой недавней статье представлен надежный подход к уменьшению размера транзисторов из углеродных нанотрубок без ущерба для их производительности. До сих пор команда использовала свою стратегию для создания 90-нм узлового транзистора, но, изменив структуру контактов, они считают, что эти транзисторы могут быть уменьшены до менее чем 10-нм узла.

В будущем работа Чжана и его коллег может способствовать созданию все более компактных и эффективных транзисторов на основе углеродных нанотрубок. Это может иметь ценные последствия для развития электроники.

«Следующая задача, которую мы сейчас решаем, — уменьшить геометрию контактов для транзисторов n-типа из углеродных нанотрубок до создания полной технологии CMOS, которая является необходимым строительным материалом для современных цифровых ИС», — добавил Чжан.

«В настоящее время мы используем скандий для контактов транзисторов из углеродных нанотрубок n-типа. Однако мы сталкиваемся с большими трудностями при уменьшении длины контакта из-за окисления этого металла с низкой работой выхода. Кроме того, мы работаем над точно охарактеризовать качество интерфейса между массивами углеродных нанотрубок и диэлектриком с высоким κ, улучшив его до уровня кремниевых КМОП-транзисторов, чтобы повысить управляемость и надежность затвора».