Les chercheurs démontrent l'échelle de transistors alignés en nanotubes de carbone à des nœuds inférieurs à 10 nm.

27 juillet 2023 caractéristique

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par Ingrid Fadelli , Phys.org

Les nanotubes de carbone, de grandes molécules cylindriques composées d'atomes de carbone hybridés disposés dans une structure hexagonale, ont récemment attiré l'attention des ingénieurs électroniques. En raison de leur configuration géométrique et de leurs propriétés électroniques avantageuses, ces molécules uniques pourraient être utilisées pour créer des transistors à effet de champ (FET) plus petits qui présentent une grande efficacité énergétique. 

Les FET basés sur les nanotubes de carbone ont le potentiel de surpasser les transistors plus petits basés sur le silicium, mais leur avantage dans les mises en œuvre réelles n'a pas encore été démontré de manière concluante. Un article récent rédigé par des chercheurs de l'Université de Pékin et d'autres instituts en Chine, publié dans la revue Nature Electronics, présente la réalisation de FET basés sur des nanotubes de carbone qui peuvent être réduits à la même taille qu'un noeud technologique de silicium de 10 nm.

« Les progrès récents dans la réalisation de réseaux de nanotubes de carbone semiconducteurs à haute densité de type galette nous rapprochent de l'utilisation pratique des nanotubes de carbone dans les circuits CMOS », a déclaré Zhiyong Zhang, l'un des chercheurs ayant mené l'étude, à Phys.org. « Cependant, les efforts de recherche précédents ont principalement porté sur la mise à l'échelle de la longueur du canal ou de la longueur de la grille des transistors à nanotubes de carbone tout en maintenant de grandes dimensions de contact, ce qui ne peut pas être accepté pour des circuits CMOS à haute densité dans des applications pratiques.

« Notre objectif principal dans ce travail est d'explorer la véritable capacité de mise à l'échelle des réseaux de nanotubes de carbone en utilisant deux paramètres de référence de l'industrie du silicium, à savoir l'espacement des grilles de contact et la surface d'une cellule SRAM à 6 transistors, tout en maintenant les avantages de performance. »

Zhang et ses collègues ont essentiellement cherché à démontrer la valeur pratique des transistors à nanotubes de carbone, montrant qu'ils peuvent surpasser les FET classiques à base de silicium avec une grille de contact comparable et une surface de cellule SRAM à 6 transistors. Pour y parvenir, ils ont d'abord fabriqué des FET basés sur des réseaux de nanotubes de carbone avec un espacement des grilles de contact de 175 nm. Cet espacement des grilles a été réalisé en réduisant la longueur de la grille et la longueur du contact à 85 nm et 80 nm, respectivement.

« De manière remarquable, les transistors ont montré un courant de 2,24 mA/μm et une transconductance de crête de 1,64 mS/μm, dépassant les performances électroniques des transistors à nœud de silicium de 45 nm », a déclaré Zhang. « De plus, une cellule SRAM à 6 transistors composée de ces transistors à nanotubes ultra-réduits a été fabriquée dans 1 μm2, et fonctionne correctement. Nous avons ensuite étudié l'obstacle majeur, à savoir la résistance de contact des transistors à nanotubes de carbone pour une mise à l'échelle supplémentaire. »

Des études antérieures ont montré que lorsqu'on utilise un schéma de contact répandu appelé « contact latéral », les porteurs de charge ne peuvent être injectés que depuis la surface des nanotubes de carbone. Cela rend la résistance dépendante de la longueur des nanotubes, ce qui limite leur capacité de miniaturisation.

Pour surmonter ce problème, Zhang et ses collègues ont introduit un nouveau schéma qu'ils appellent le « contact total ». Ce schéma consiste à couper les deux extrémités des nanotubes de carbone avant de former le contact, ce qui permet à une partie des porteurs d'être injectés depuis ces extrémités.

« Ce nouveau schéma de contact permet aux transistors à nanotubes de carbone d'être encore plus réduits, avec un espacement des grilles de contact inférieur à 55 nm qui correspond au noeud technologique de silicium de 10 nm, tout en surpassant les transistors en silicium de nœud de 10 nm en raison d'une grande mobilité et vélocité de Fermi », a déclaré Zhang. « Notre travail a expérimentalement démontré une vraie technologie à noeud de 90 nm à l'aide de nanotubes de carbone, qui peut être géométriquement plus petite et offrir une performance électronique supérieure aux transistors en silicium de nœud de 90 nm. »

Cet article récent présente une approche fiable pour réduire les transistors à nanotubes de carbone, sans compromettre leurs performances. Jusqu'à présent, l'équipe a utilisé sa stratégie pour créer un transistor à noeud de 90 nm, mais en restructurant la structure des contacts, ils estiment que ces transistors pourraient être réduits en dessous d'un sous-noeud de 10 nm.

À l'avenir, les travaux de Zhang et de ses collègues pourraient contribuer à la création de transistors à nanotubes de carbone de plus en plus petits et plus efficaces. Cela pourrait avoir des implications précieuses pour le développement de l'électronique.

'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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