Ingeniører bygger første sub-10-nm carbon nanorør transistor

(PhysOrg.com) -- Ingeniører har bygget den første carbon nanorør (CNT) transistor med en kanal længde under 10 nm, en størrelse, der anses for at være et krav til computerteknologi i det næste årti. Ikke alene kan den lille transistor kontrollere strømmen tilstrækkeligt, det gør det væsentligt bedre end forudsagt af teorien. Den overgår endda de bedste konkurrerende siliciumtransistorer i denne skala, demonstrerer en overlegen strømtæthed ved en meget lav driftsspænding.

Ingeniørerne, fra IBM T.J. Watson Research Center i Yorktown Heights, New York; ETH Zürich i Zürich, Schweiz; og Purdue University i West Lafayette, Indiana, har offentliggjort deres undersøgelse af den første sub-10-nm CNT-transistor i et nyligt nummer af Nano bogstaver .

Mange forskergrupper arbejder på at reducere størrelsen af ​​transistorer for at opfylde kravene til fremtidens computerteknologi til mindre, tættere integrerede kredsløb. Når nutidens transistorer (siliciummetal-oxid-halvleder-felteffekttransistorer, eller Si MOS-FET'er) er krympet, de mister deres evne til effektivt at kontrollere elektrisk strøm, et problem kaldet kortkanaleffekter. Af denne grund, forskere har ændret Si MOS-FET-designet i et forsøg på at få transistoren til at fungere bedre ved gatelængder under 10 nm, men disse enheder står stadig over for ydeevneudfordringer.

I den nye undersøgelse, ingeniørerne har kasseret silicium helt og vendt sig til enkeltvæggede CNT'er. På grund af deres overlegne elektriske egenskaber og ultratynde (1-2-nm diameter) kroppe, CNT'er er blevet foreslået som erstatning for silicium i flere år. Deres ultratynde kroppe skulle tillade CNT'er at opretholde gate-kontrol af strømmen i en transistor selv ved korte kanallængder, potentielt gør det muligt for dem at undgå kortkanaleffekter. IBM-teamets sub-10-nm CNT-transistor er den første til at demonstrere disse fordele.

"Den største betydning af dette arbejde er i demonstrationen af, at kulstof-nanorørtransistorer ikke kun kan fungere godt ved længder under 10 nm, men at deres ydeevne er bedre end de bedst rapporterede Si-baserede transistorer i lignende længder, ” fortalte IBM-forsker Aaron Franklin PhysOrg.com . "I årevis har det været kendt, at skalering af bulk silicium enheder ville være ekstremt udfordrende, hvis ikke umuligt, når længderne nærmer sig 10-15 nm….Den enestående lavspændingsydelse af denne skalerede kulstof-nanorørtransistor er et vejviser, der viser, at der er et påviselig alternativ til ekstremt skalerede transistorer.

Indtil ingeniørerne byggede CNT-transistoren under 10 nm, ingen vidste, at de ville klare sig så godt. Teorier forudsagde, at CNT'er med ultratynde kanaler ville opleve et tab af gatekontrol såvel som et tab af drænstrømmætning i outputtet, begge dele ville forringe ydeevnen.

"Grunden til, at teorien forudser et tab af gatekontrol for nanorørtransistorer under 15 nm eller deromkring (på trods af at de er ekstremt tynde) er relateret til anden unik transportfysik for nanorørenheder, " sagde Franklin. "Nemlig de effektive bæremasser (elektronernes masse) er meget små for nanorør sammenlignet med andre halvledere, hvilket betyder, at de lettere kan tunnelere eller lække i enheden. Dette er en af ​​grundene til, at teorier havde foreslået et tab af portkontrol, fordi disse 'lette' bærere ville begynde at tunnelere ukontrolleret, når længderne blev for små. I avisen, vi viser, at årsagen til denne uoverensstemmelse i høj grad skyldes utilstrækkelige fysikmodeller til transport ved nanorør-metal-kontakter - tidligere modeller ignorerer for det meste, hvad der kunne ske med elektroner, der kommer gennem metal-nanorør-forbindelsen."

Da ingeniørerne fremstillede flere individuelle transistorer på det samme nanorør, den mindste har en kanallængde på kun 9 nm, de observerede, at den mindste transistor udviste fremragende koblingsadfærd og drænstrømmætning, trodser forudsigelser. Sammenlignet med de bedst ydende sub-10-nm Si-transistorer af varierende design og diametre, 9-nm CNT-transistoren havde en diameter-normaliseret strømtæthed på mere end fire gange den bedste siliciumtransistor. Og den udviste denne imponerende strømtæthed ved en lav driftsspænding (0,5 volt), hvilket er vigtigt for at reducere strømforbruget.

Forskerne forudser, at teoretiske modeller kan forbedres ved at fokusere mere på transporten mellem metalkontakterne og CNT. De mener også, at de højtydende 9-nm CNT-transistorer demonstrerer potentialet for at bruge CNT-transistorer i morgendagens computerteknologi.

"Hovedimplikationen er, at kulstof nanorør stadig er værd at overveje for en fremtidig skaleret transistorteknologi, " sagde Franklin. "Hvad der ofte ikke indses af dem uden for feltet, er, at kulstof-nanorørtransistorer i det væsentlige er de eneste ikke-siliciumenheder, som eksperimentelt har vist sig at have lovende i ekstremt skalerede transistorer. Der er mange enheder fremmet af teori, eller demonstreret i større enhedsstrukturer, men ingen har været i stand til at vise niveauet af forsknings-bench-top ydeevne, som nanorør har. Nu, det sagt, det skal bemærkes, at der er udfordringer forude, før nogen vil se en integreret transistorløsning fra nanorør. Men, til dato, intet relateret til nanorørtransistorer har vist sig at være fundamentalt umuligt at løse, fra placering af nanorør på præcise steder til fuldstændig adskillelse af metalliske og halvledende nanorør."

Copyright 2012 PhysOrg.com.
Alle rettigheder forbeholdes. Dette materiale må ikke offentliggøres, udsende, omskrevet eller omdistribueret helt eller delvist uden udtrykkelig skriftlig tilladelse fra PhysOrg.com.