Investigadores demuestran la escalabilidad de transistores de nanotubos de carbono alineados a tamaños inferiores a nodos sub-10 nm.

27 de julio de 2023 característica

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por Ingrid Fadelli, Phys.org

Los nanotubos de carbono, moléculas cilíndricas grandes compuestas por átomos de carbono hibridados dispuestos en una estructura hexagonal, han atraído recientemente una atención significativa entre los ingenieros electrónicos. Debido a su configuración geométrica y a sus propiedades electrónicas ventajosas, estas moléculas únicas podrían utilizarse para crear transistores de efecto de campo (FET) más pequeños que presenten una alta eficiencia energética.

Los FET basados en nanotubos de carbono tienen el potencial de superar a los transistores más pequeños basados en silicio, sin embargo, su ventaja en implementaciones del mundo real aún no se ha demostrado de manera concluyente. Un reciente artículo de investigadores de la Universidad de Pekín y otros institutos en China, publicado en Nature Electronics, describe la realización de FET basados en nanotubos de carbono que se pueden dimensionar al mismo tamaño de un nodo de tecnología de silicio de 10 nm.

'El progreso reciente en el logro de matrices de nanotubos de carbono semiconductores de alta densidad a escala de oblea nos acerca un paso más al uso práctico de los nanotubos de carbono en circuitos CMOS', dijo Zhiyong Zhang, uno de los investigadores que llevó a cabo el estudio, a Phys.org. 'Sin embargo, los esfuerzos de investigación anteriores se han centrado principalmente en la reducción de la longitud del canal o compuerta de los transistores de nanotubos de carbono mientras se mantienen dimensiones de contacto grandes, lo cual no puede ser aceptado para circuitos CMOS de alta densidad en aplicaciones prácticas.’

'Nuestro objetivo principal en este trabajo es explorar la verdadera capacidad de reducción de matrices de nanotubos de carbono utilizando dos indicadores de mérito en la industria del silicio, a saber, la distancia entre compuertas de contacto y el área de la celda 6T SRAM, al tiempo que se mantienen las ventajas de rendimiento'.

Zhang y sus colegas básicamente se propusieron demostrar el valor práctico de los transistores de nanotubos de carbono, mostrando que pueden superar a los FET convencionales basados en silicio con una distancia entre compuertas comparable y un área de celda 6T SRAM. Para lograr esto, primero fabricaron FET basados en matrices de nanotubos de carbono con una distancia entre compuertas de contacto de 175 nm. Esta distancia entre compuertas se logró mediante la reducción de la longitud de la compuerta y la longitud del contacto a 85 nm y 80 nm, respectivamente.

'Notablemente, los transistores mostraron una corriente en activo impresionante de 2.24 mA/μm y una transconductancia máxima de 1.64 mS/μm, superando el rendimiento electrónico de los transistores de nodo de 45 nm basados en silicio', dijo Zhang. 'Además, se fabricó correctamente una celda 6T SRAM compuesta por estos transistores de nanotubos ultraescalonados dentro de 1 μm2. Luego investigamos el obstáculo principal, es decir, la resistencia de contacto de los transistores de nanotubos de carbono para una mayor reducción de escala'.

Estudios anteriores han demostrado que al seguir un esquema de contacto ampliamente conocido como 'contacto lateral', los portadores de carga solo pueden ser inyectados desde la superficie de los nanotubos de carbono. Esto hace que la resistencia dependa de la longitud de los nanotubos, lo que restringe hasta qué punto se pueden miniaturizar.

Para superar este problema, Zhang y sus colegas introdujeron un nuevo esquema al que denominan 'contacto completo'. Este esquema implica cortar ambos extremos de los nanotubos de carbono antes de formar el contacto, lo que a su vez permite que parte de los portadores se inyecten desde estos extremos.

'Este nuevo esquema de contacto permite que los transistores de nanotubos de carbono se reduzcan aún más a una distancia entre compuertas de contacto inferior a 55 nm, lo que corresponde a un nodo de tecnología de silicio de 10 nm, mientras superan a los transistores de silicio de nodo de 10 nm debido a la alta movilidad de portadores y la velocidad de Fermi', dijo Zhang. 'Nuestro trabajo demostró experimentalmente una tecnología de nodo de 90 nm real utilizando nanotubos de carbono, que podrían hacerse más pequeños geométricamente y ofrecer un rendimiento electrónico superior a los transistores de nodo de 90 nm basados en silicio'.

Este reciente artículo presenta un enfoque confiable para reducir los transistores de nanotubos de carbono sin comprometer su rendimiento. Hasta ahora, el equipo usó su estrategia para crear un transistor de nodo de 90 nm, pero al rediseñar la estructura de los contactos, sienten que estos transistores podrían reducirse por debajo de un nodo sub-10 nm.

En el futuro, el trabajo de Zhang y sus colegas podría contribuir a la creación de transistores basados en nanotubos de carbono cada vez más pequeños y eficientes. Esto podría tener implicaciones valiosas para el desarrollo de la electrónica.

'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.'

Journal information: Nature Electronics

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