CNT wrap-gate transistorer kunne udvide transistor-ydeevneskalering

(Phys.org) — Gennem 70'erne, 80'erne og 90'erne, transistorydelsen øges løbende i henhold til nogle simple skaleringsregler. Disse regler postulerer, at transistorstørrelse og forsyningsspænding bør falde, når effekttætheden forbliver konstant, resulterer i en samlet stigning i ydeevnen. Imidlertid, fysiske begrænsninger stoppede forsyningsspændingsskalering i begyndelsen af ​​2000'erne, så de simple skaleringsregler gælder ikke længere. Nu kommer enhver stigning i ydeevnen på bekostning af et stigning i strømforbruget, så transistorydelsen er udjævnet siden midten af ​​2000'erne.

Nu i en ny undersøgelse, forskere ved IBM T.J. Watson Research Center i Yorktown Heights, New York, har udnyttet potentialet i kulstofnanorør som en måde at udvide skaleringsreglerne og opnå yderligere ydeevneforbedringer i transistorer. En dag, transistorer lavet af kulstof nanorør kan danne rygraden i mange af vores elektroniske enheder, herunder smartphones og tablets.

Den skaleringsafbrydelse, som transistorer stødte på i det sidste årti, skyldtes i høj grad transistorernes fysiske egenskaber, som er siliciummetal-oxid-halvleder-felteffekttransistorer (MOSFET'er). I de seneste år, forskere har undersøgt muligheden for at erstatte MOSFET'er med kulstofnanorør-felteffekttransistorer (CNTFET'er). Disse transistorer har allerede vist mange attraktive egenskaber, herunder god ydeevne ved lave spændinger med kanalkomponenter på mindre end 10 nm i længden - en skala, som silicium MOSFET'er ikke fysisk kan nå med god ydeevne.

"Der er to primære grunde til, at CNTFET'er giver fordele, som MOSFET'er ikke kan:1) CNT'erne er ultratynde kropshalvledere (~1 nm), som gør det muligt at integrere dem i aggressivt skalerede enheder uden at miste kontrollen over strømmen i kanalen; og 2) CNTFET'er kan fungere ved lave forsyningsspændinger, hvilket betyder, at de kan levere det niveau af elektrisk strøm, der er nødvendigt for at drive integrerede kredsløb ved mindre spænding, end MOSFET'er nogensinde kan opnå, " fortalte medforfatter og IBM-forsker Aaron D. Franklin Phys.org . "I næsten et årti, der har været ringe eller ingen reduktion i forsyningsspændingen for MOSFET-teknologier - CNTFET'er er en af ​​de bedste muligheder for at ændre denne tendens."

Imidlertid, at konkurrere med MOSFETS, CNTFET'er kræver stadig flere store fremskridt, inklusive en skalerbar gate, der kan justere sig selv til kilden og dræne kontakter, komplementære n- og p-type enheder (som adskiller sig på grund af polarisering), og kompatibilitet med den ledningsbehandling, der er nødvendig for at bygge kredsløb.

I deres papir, forskerne har opfyldt alle disse tre krav ved at bygge en CNT-transistor med en gate, der fuldstændigt omgiver CNT-kanalen. Forskerne forklarer, at denne gate-all-around (GAA) geometri er ideel, fordi den beskytter CNT mod kobling til tilstødende CNT'er og fra herreløse ladninger, der kommer for tæt på i så lille en skala og forårsager ustabilitet.

"Den største betydning af dette arbejde er implementeringen af ​​en port, der fuldstændigt omslutter de cylindriske CNT-kanaler, " sagde Franklin. "Fordi nanorør kun er enkelte molekyler med ~1 nm diameter og er lavet af en enkelt skal af atomer (hule på indersiden), de er meget følsomme over for elektriske forstyrrelser i deres nærhed. Ved at pakke hver CNT-kanal ind i sin egen dielektriske og metalport, de bliver isoleret fra sådanne forstyrrelser og tager enhederne et skridt tættere på en reproducerbar og pålidelig teknologi."

Den omsluttende port er også selvjusteret med kilde- og afløbskontakterne uden at kræve litografi. Som en selvjusterende port, den overlapper eller underlapper ikke kilden/afløbet, men passer næsten perfekt, hvilket er vigtigt for at sikre en god vej for ladningsflow. Forskerne kunne også skalere portlængden ned til 20 nm, og forudsige, at yderligere skalering er mulig for endnu mindre CNT-kanaler.

Porten kan også bruges til at realisere både n- og p-type enheder ved at bruge forskellige dielektriske materialer til at ændre polariteten. Selvom n-type-enheden har en bedre ydeevne end p-type-enheden, forskerne forudser, at sidstnævnte kunne forbedres ved at lave tyndere spacer-områder, da disse afstandsstykker danner en barriere for ladetransport.

Forskerne udførte også kvantesimuleringer af CNTFET for at bekræfte deres forståelse af enhedens funktion. Simuleringsresultaterne matchede nøje de eksperimentelle resultater, og gjorde det også muligt for forskerne at fremskrive virkningen af ​​forskellige variabler på enhedens ydeevne, inklusive afstandsstykkets tykkelse og doping. Disse modifikationer kan teoretisk øge på-strømmen, reducere off-strøm, og levere et undertærskelsving meget nær den teoretiske grænse på 60 mv/dec. hvilket betyder, at transistoren meget hurtigt kan skifte mellem tændt og slukket tilstand.

Fremadrettet, resultaterne viser, at arrays af CNT'er kan integreres i skalerbare, selvjusterede n- og p-type transistorer med ideelle wrap-around-gates. Forskerne forudser, at med yderligere optimering, disse CNTFET'er kunne en dag tjene som lavspænding, højtydende transistorer, der har en udbredt indflydelse på fremtidige applikationer.

"Hos IBM, vi har vist i de sidste par år, at du kan opnå fremragende CNTFET-ydeevne ned til under 10 nm kanallængder og nu kan gøre det i en teknologisk kompatibel wrap-gate-struktur, " sagde Franklin. "Den største udfordring, der er tilbage på enhedsniveau, er at forbedre injektionen af ​​bærere ved metal-CNT-kontakterne på enhederne. Når kontakter skaleres til de nødvendige små dimensioner for en teknologi, kontaktmodstanden stiger væsentligt og skal behandles. Selvom dette problem ikke er unikt for CNTFET'er (MOSFET'er af alle typer lider på samme måde), det er en hindring, der kræver en løsning for at få adgang til det fulde potentiale af en CNT-teknologi.

"Uden for enhedsområdet, de to store materialehindringer er at fortsætte med at øge renheden og isoleringen af ​​halvledende CNT'er fra deres metalliske modstykker og at samle CNT'erne præcist til præcise placeringer på et substrat. Begge disse områder har oplevet imponerende fremskridt i det sidste år, både fra IBM og andre forskningsgrupper."

© 2013 Phys.org. Alle rettigheder forbeholdes.