Углеродные нанотрубки обзавелись эффективным затвором

Похоже, перспективы УНТ как будущего основного материала для полевых транзисторов растут на глазах.

С 1970-х рост производительности транзисторов выглядел простым процессом: вольтаж снижался, размеры транзистора уменьшались, энерговыделение оставалось прежним. В последние годы на наших глазах всё изменилось: дальнейшее уменьшение размеров транзисторов стало очень трудным делом, и нынешний долгий и дорогостоящий переход с 22 нм на 14 нм отлично это иллюстрирует. Физические ограничения эффективности транзисторов в любом случае не дают существенно снижать напряжение, а значит, дальнейшее наращивание производительности будет аукаться усилением энергопотребления. Учитывая закон Мура, пусть и в его нынешнем виде, в будущем нас ожидает либо огромный рост энергопотребления электроники (и жидкостное охлаждение?), либо её константная производительность.

Выходом из ситуации может стать замена нынешних МОП-структур, доминирующего вида полевых транзисторов (металл — оксид — полупроводник), на УНТ-структуры (углеродные нанотрубки).

Преимущество УНТ — хорошая производительность при низком напряжении, да ещё при каналах, менее 10 нм в длину, — ведь МОП-структуры физически не способны достичь таких размеров с сохранением приемлемой эффективности. Кроме того, УНТ очень тонки, и транзисторы на их основе будут иметь дело с полупроводниками толщиной примерно в нанометр.

Само собой, на этом пути есть свои сложности. Во-первых, для УНТ трудно сделать затвор, который мог бы при сборке сам «стыковаться» с истоком и стоком; проблемно и создание дополнительных n- и p-типов УНТ-структур; наконец, в силу малых размеров их тяжело совмещать с проводниками микросхемы.

Впрочем, исследователи из IBM под руководством Аарона Франклина (Aaron Franklin) утверждают, что смогли преодолеть все три «узких места» УНТ-структур. Они построили свой полевой транзистор по методу «кругового затвора» (Gate-All-Around; ранее применялся для отдельных МОП-структур), когда затвор окружает углеродную нанотрубку, находящуюся в центре транзистора, со всех сторон. Таким образом УНТ экранируется от паразитных зарядов соседних транзисторов, которые с учётом малых размеров УНТ-структур могли бы стать причиной нестабильности в их работе.

«Поскольку нанотрубки, по сути, это одиночные молекулы диаметром примерно в 1 нм, а сделаны они из одного слоя атомов, будучи полыми внутри, то они весьма чувствительны к электрическим возмущением в своих окрестностях. Оборачивая каждый УНТ-канал в его собственный слой диэлектрика и металлический затвор, мы изолируем их от таких возмущений, что на шаг приближает устройства к воспроизводимой и надёжной технологии», — поясняет г-н Франклин.

Что особенно важно, круговой затвор сам «стыкуется» с истоком и стоком транзистора без необходимости в литографии, технологически очень сложной на столь малых масштабах. Длина затвора уже при нынешних нанотрубках способна масштабироваться вплоть до 20 нм. По мере появления массовых УНТ меньших размеров ситуация будет только улучшаться.

Такой затвор может быть использован как устройство n-типа, пригодится он и в качестве устройства p-типа. Для этого нужно всего лишь применить разные диэлектрические материалы, изменяющие их полярность. Пока, правда, n-тип (электронные полупроводники) на основе нанотрубок эффективнее, чем p-тип (дырочные полупроводники), однако исследователи уверены, что простым использованием более тонких разделяющих регионов можно улучшить работу дырочного варианта полупроводника, ведь именно разделяющие регионы сильнее всего ограничивают перенос заряда. Более того, по их словам, проведённое моделирование уж показало, что это действительно так.

Пока наибольшей сложностью остаётся улучшение ввода носителей заряда в контакт «металл — углеродная нанотрубка». Дело в том, что при наноразмерах металлические контакты испытывают такой необычный эффект, как рост сопротивления. Впрочем, МОП-структуры сегодняшнего дня страдают той же болезнью...

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Nano Letters.

Подготовлено по материалам Phys.Org.