Forscher demonstrieren das Skalieren von ausgerichteten Kohlenstoff-Nanoröhren-Transistoren bis zu unterhalb von Sub-10-nm-Knoten.

27. Juli 2023 Funktion

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Von Ingrid Fadelli, Phys.org

Kohlenstoffnanoröhren, große zylindrische Moleküle, die aus hybridisierten Kohlenstoffatomen in einer hexagonalen Struktur bestehen, haben in letzter Zeit viel Aufmerksamkeit bei Elektronikingenieuren erregt. Aufgrund ihrer geometrischen Konfiguration und vorteilhaften elektronischen Eigenschaften könnten diese einzigartigen Moleküle verwendet werden, um kleinere Feldeffekttransistoren (FETs) mit hoher Energieeffizienz zu schaffen.

FETs auf Basis von Kohlenstoffnanoröhren haben das Potenzial, kleinere Transistoren auf Siliziumbasis zu übertreffen, doch ihr Vorteil in realen Anwendungen muss noch abschließend nachgewiesen werden. Ein kürzlich von Forschern der Peking-Universität und anderer Institute in China in Nature Electronics veröffentlichtes Papier beschreibt die Umsetzung von FETs auf Basis von Kohlenstoffnanoröhren, die auf die gleiche Größe eines 10-nm-Silizium-Technologieknotens skaliert werden können.

"Der jüngste Fortschritt bei der Herstellung von wafergroßen hochdichten halbleitenden Kohlenstoffnanoröhren-Arrays bringt uns der praktischen Verwendung von Kohlenstoffnanoröhren in CMOS-Schaltungen einen Schritt näher", sagte Zhiyong Zhang, einer der Forscher, die die Studie durchgeführt haben, gegenüber Phys.org. "Bisherige Forschungsanstrengungen konzentrierten sich jedoch hauptsächlich auf die Skalierung der Kanal- oder Gate-Länge von Kohlenstoffnanoröhren-Transistoren unter Beibehaltung großer Kontaktabmessungen, was für hochdichte CMOS-Schaltungen in praktischen Anwendungen inakzeptabel ist.

"Unser Hauptziel dieser Arbeit ist es, die wahre Skalierbarkeit von Kohlenstoffnanoröhren-Arrays mithilfe von zwei Kennzahlen in der Siliziumindustrie zu untersuchen: dem kontaktierten Gate-Abstand und der Fläche einer 6T-SRAM-Zelle, unter Beibehaltung der Leistungsvorteile."

Zhang und seine Kollegen wollten im Wesentlichen den praktischen Nutzen von Kohlenstoffnanoröhren-Transistoren demonstrieren und zeigen, dass sie konventionelle Silizium-basierte FETs mit vergleichbarem Gate-Abstand und einer Fläche einer 6T-SRAM-Zelle übertreffen können. Um dies zu erreichen, fertigten sie zunächst FETs auf Basis von Kohlenstoffnanoröhren-Arrays mit einem kontaktierten Gate-Abstand von 175 nm. Dieser Gate-Abstand wurde erreicht, indem die Gate-Länge und die Kontaktlänge auf jeweils 85 nm bzw. 80 nm skaliert wurden.

"Beeindruckenderweise wiesen die Transistoren einen beeindruckenden On-Strom von 2,24 mA/μm und eine Spitzen-Transkonduktanz von 1,64 mS/μm auf, die die elektronische Leistungsfähigkeit von Silizium-Transistoren im 45-nm-Technologieknoten übertrafen", sagte Zhang. "Darüber hinaus wurde eine 6T-SRAM-Zelle aus diesen hochskalierten Nanoröhren-Transistoren innerhalb von 1 μm2 hergestellt und funktioniert korrekt. Wir haben dann das Hauptproblem untersucht, nämlich den Kontaktwiderstand von Kohlenstoffnanoröhren-Transistoren für eine weitere Skalierung."

Vergangene Studien haben gezeigt, dass bei Verwendung eines weit verbreiteten Kontaktschemas namens "Seitenkontakt" Ladungsträger nur von der Oberfläche der Kohlenstoffnanoröhren eingespritzt werden können. Dadurch ist der Widerstand der Nanoröhren längeabhängig und begrenzt die Möglichkeiten der Miniaturisierung.

Um dieses Problem zu überwinden, führten Zhang und seine Kollegen ein neues Schema ein, das sie als "Voller Kontakt" bezeichnen. Dabei werden beide Enden der Kohlenstoffnanoröhren vor der Bildung des Kontakts abgeschnitten, was wiederum ermöglicht, dass ein Teil der Träger von diesen Enden aus eingespritzt werden kann.

"Dieses neue Kontaktschema ermöglicht es, Kohlenstoffnanoröhren-Transistoren auf einen kontaktierten Gate-Abstand von unter 55 nm herunterzuskalieren, was dem 10-nm-Silizium-Technologieknoten entspricht, während sie aufgrund ihrer hohen Ladungsträgermobilität und Fermi-Geschwindigkeit 10-nm-Silizium-Transistoren übertreffen", sagte Zhang. "Unsere Arbeit hat experimentell eine wahre 90-nm-Knotentechnologie mit Kohlenstoffnanoröhren demonstriert, die geometrisch kleiner hergestellt werden kann und elektronische Leistungen bietet, die Silizium 90-nm-Knotentransistoren übertreffen."

Das kürzlich veröffentlichte Papier stellt einen zuverlässigen Ansatz zur Miniaturisierung von Kohlenstoffnanoröhren-Transistoren vor, ohne deren Leistungsfähigkeit zu beeinträchtigen. Bisher hat das Team seine Strategie verwendet, um einen 90-nm-Knoten-Transistor zu erstellen, aber durch eine Neugestaltung der Kontaktstruktur könnten diese Transistoren auf einen Sub-10-nm-Knoten verkleinert werden.

In Zukunft könnte die Arbeit von Zhang und seinen Kollegen zur Schaffung immer kleinerer und effizienterer Transistoren auf Basis von Kohlenstoffnanoröhren beitragen. Dies könnte wertvolle Auswirkungen auf die Entwicklung von Elektronik haben.

'The next challenge that we are now tackling is to scale down the contact geometry for carbon nanotube n-type transistors to constructing complete CMOS technology, which is the necessary building blocks for modern digital ICs,' Zhang added.

'Currently, we use scandium for the contact of n-type carbon nanotube transistors. However, we are facing great difficulties as we scale down the contact length due to the oxidation of this low-work function metal. In addition, we are working to accurately characterize the interface quality between carbon nanotube arrays and high-κ dielectric, improving it to the level of silicon CMOS transistors to enhance gate controllability and reliability.'

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