Forskere demonstrerer skalering af justerede kulstof-nanorør-transistorer til noder under under 10 nm

Carbon nanorør, store cylindriske molekyler sammensat af hybridiserede kulstofatomer arrangeret i en sekskantet struktur, tiltrak for nylig betydelig opmærksomhed blandt elektronikingeniører. På grund af deres geometriske konfiguration og fordelagtige elektroniske egenskaber kan disse unikke molekyler bruges til at skabe mindre felteffekttransistorer (FET'er), der udviser høj energieffektivitet.

FET'er baseret på kulstof nanorør har potentialet til at udkonkurrere mindre transistorer baseret på silicium, men deres fordel i real-world implementeringer er endnu ikke endeligt demonstreret. En nylig artikel fra forskere ved Peking University og andre institutter i Kina, offentliggjort i Nature Electronics , skitserer realiseringen af ​​FET'er baseret på kulstof nanorør, der kan skaleres til samme størrelse som en 10 nm siliciumteknologisknude.

"Seneste fremskridt med at opnå wafer-skala højdensitet halvledende carbon nanorør-arrays bringer os et skridt tættere på den praktiske brug af carbon nanorør i CMOS-kredsløb," sagde Zhiyong Zhang, en af ​​forskerne, der udførte undersøgelsen, til Phys.org. "Tidligere forskningsindsatser har dog hovedsageligt fokuseret på skalering af kanal- eller gatelængde af carbon-nanorørtransistorer, samtidig med at de har bevaret store kontaktdimensioner, hvilket ikke kan accepteres for CMOS-kredsløb med høj tæthed i praktiske anvendelser.

"Vores primære mål med dette arbejde er at udforske den sande skaleringsevne af carbon nanorør-arrays ved hjælp af to værdier i siliciumindustrien, det vil sige kontaktet gate-pitch og arealet af 6T SRAM-celle, samtidig med at ydeevnefordelene bevares."

Zhang og hans kolleger satte sig i det væsentlige for at demonstrere den praktiske værdi af carbon nanorør-transistorer, hvilket viser, at de kan udkonkurrere konventionelle siliciumbaserede FET'er med en sammenlignelig gate-pitch og et 6T SRAM-celleområde. For at opnå dette fremstillede de først FET'er baseret på carbon nanorør-arrays med en kontaktet gate pitch på 175 nm. Denne gate-pitch blev realiseret ved at skalere gate-længden og kontaktlængden til henholdsvis 85 nm og 80 nm.

"Det er bemærkelsesværdigt, at transistorerne udviste en imponerende on-current på 2,24 mA/μm og en maksimal transkonduktans på 1,64 mS/μm, hvilket overgik den elektroniske ydeevne af silicium 45 nm node transistorer," sagde Zhang. "Derudover bestod 6T SRAM-cellen af ​​disse ultra-skalerede nanorørtransistorer, der er blevet fremstillet inden for 1 μm ² , og fungerer korrekt. Vi undersøgte derefter den største hindring, det vil sige kontaktmodstanden for carbon-nanorørtransistorer til yderligere skalering."

Tidligere undersøgelser har vist, at når man følger et udbredt kontaktskema kendt som "sidekontakt", kan ladningsbærere kun injiceres fra overfladen af ​​kulstofnanorør. Dette gør modstanden af ​​nanorørenes længde afhængig, hvilket begrænser omfanget af de kan miniaturiseres.

For at overvinde dette problem introducerede Zhang og hans kolleger en ny ordning, som de refererer til som "fuld kontakt." Dette skema indebærer, at begge ender af kulstofnanorør skæres over, før kontakten dannes, hvilket igen tillader en del af bærerne at blive injiceret fra disse ender.

"Dette nye kontaktskema gør det muligt at nedskalere kulstof-nanorør-transistorer yderligere til kontaktet gate-pitch under 55 nm, hvilket svarer til silicium 10 nm teknologiknude, mens de overgår 10 nm node siliciumtransistorer på grund af høj bærermobilitet og Fermi-hastighed," sagde Zhang. "Vores arbejde demonstrerede eksperimentelt en ægte 90 nm nodeteknologi ved hjælp af carbon nanorør, som kunne gøres geometrisk mindre og tilbyde elektronisk ydeevne, der overgår silicium 90 nm nodetransistorer."

Dette nylige papir introducerer en pålidelig tilgang til nedskaleret kulstof-nanorørtransistorer uden at gå på kompromis med deres ydeevne. Hidtil har holdet brugt deres strategi til at skabe en 90 nm nodetransistor, men ved at redesigne kontaktstrukturen føler de, at disse transistorer kan krympes under en sub-10 nm node.

I fremtiden kan arbejdet af Zhang og hans kolleger bidrage til skabelsen af ​​stadigt mindre og effektive kulstof-nanorør-baserede transistorer. Dette kan have værdifulde konsekvenser for udviklingen af ​​elektronik.

"Den næste udfordring, som vi nu tackler, er at nedskalere kontaktgeometrien for n-transistorer af kulstofnanorør til at konstruere komplet CMOS-teknologi, som er de nødvendige byggesten til moderne digitale IC'er," tilføjede Zhang.

"I øjeblikket bruger vi scandium til kontakten af ​​n-type carbon nanorør-transistorer. Vi står dog over for store vanskeligheder, da vi nedskalerer kontaktlængden på grund af oxidationen af ​​dette metal med lavt arbejde. Derudover arbejder vi på at karakterisere grænsefladekvaliteten mellem carbon nanorør-arrays og høj-κ-dielektrik nøjagtigt, og forbedre den til niveauet for silicium CMOS-transistorer for at forbedre gate-styrbarheden og pålideligheden."

Flere oplysninger: Yanxia Lin et al., Skalering af justerede kulstofnanorørtransistorer til en sub-10 nm node, Nature Electronics (2023). DOI:10.1038/s41928-023-00983-3

Journaloplysninger: Naturelektronik

© 2023 Science X Network