Uniformità del dispositivo e circuiti integrati CNT di media scala. (a) Immagine ottica che mostra un wafer ricoperto di CNT FET, con (b) caratteristiche di trasferimento corrispondenti di 300 FET. (c) Immagine SEM che mostra un circuito CMOS a sommatore completo CNT a 8 bit composto da 256 FET CNT, con forma d'onda di ingresso (A e B) e di uscita (Sum) della somma per un riporto (d) Cin=0 e (e) Cin=1 da una precedente addizione. Credito:Dott. Haitao Xu.
Alcuni esperti nel campo dell'ingegneria elettronica hanno suggerito che l'uso di semiconduttori di ossido di metallo complementare al silicio (CMOS) inizierà a diminuire rapidamente entro la fine del 2020. Nonostante le loro previsioni, una classe di materiali alternativi in grado di sostenere efficacemente la potenza di calcolo di nuovi dispositivi, pur mantenendo buone efficienze energetiche deve ancora essere chiaramente stabilito.
Negli ultimi anni, i ricercatori hanno proposto diversi materiali che potrebbero in definitiva sostituire i dispositivi CMOS attuali. Alcuni dei candidati più promettenti sono l'elettronica basata su nanotubi di carbonio (CNT), che possono essere fabbricati utilizzando una varietà di tecniche diverse.
Un team di ricercatori dell'Università di Pechino e dell'Università di Xiangtan in Cina ha recentemente condotto uno studio sul potenziale dei materiali CNT per la fabbricazione di componenti elettronici. Nella loro carta, pubblicato in Elettronica della natura , i ricercatori hanno discusso lo sviluppo di transistor ad effetto di campo CMOS basati su nanotubi nel tempo, evidenziando anche alcuni dei materiali CNT attualmente disponibili per i produttori di elettronica.
"CNT è un materiale elettronico ideale che offre soluzioni in cui altri semiconduttori fondamentalmente falliscono, in particolare se ridimensionato alla scala dimensionale inferiore a 10 nm, "Lianmao Peng, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a TechXplore. "In questo lavoro, abbiamo dimostrato che l'elettronica basata su CNT ha il potenziale per superare quella della tecnologia al silicio con un ampio margine (dimostrato sperimentalmente un vantaggio di oltre dieci volte) e che i circuiti integrati (IC) su larga scala possono essere costruiti utilizzando nanotubi di carbonio".
I parametri fisici rilevanti dei CNT, come la loro struttura e le proprietà elettroniche, sono ormai conosciuti nel settore. Per esplorare efficacemente i potenziali limiti dei materiali CNT, Peng e i suoi colleghi Zhiyong Zhang e Chenguang Qiu hanno quindi analizzato le prestazioni e le qualità dei singoli CNT, concentrandosi su questi parametri specifici.
"I nostri risultati mostrano che a nodi tecnologici sub-10 nm, I transistor CNT possono essere 3 volte più veloci, e 4 volte più efficienti dal punto di vista energetico rispetto alle loro controparti in silicio, " Peng ha spiegato. "Abbiamo dimostrato che, anche utilizzando la struttura di fabbricazione universitaria molto limitata, possiamo fabbricare transistor che superano di molte volte le prestazioni dei transistor al silicio, indicando che l'industria dei chip potrebbe andare avanti con la velocità attuale per molti altri decenni."
Lo studio condotto da Peng e dai suoi colleghi fornisce ulteriori prove che suggeriscono che i transistor CNT sono un'alternativa praticabile e desiderabile agli attuali dispositivi CMOS al silicio. Nelle loro analisi, i ricercatori hanno anche evidenziato alcuni dei vantaggi e degli svantaggi dei circuiti integrati di media scala che sono stati sviluppati fino ad oggi, nonché le sfide che attualmente ne impediscono l'attuazione su larga scala.
Secondo Peng e i suoi colleghi, lo sviluppo di circuiti integrati (IC) con nuove strutture di chip 3D potrebbe migliorare ulteriormente le prestazioni dei materiali CNT, rendendoli fino a centinaia di volte più potenti. Le loro analisi e i risultati precedenti raccolti da altri team di ricerca suggeriscono in definitiva la possibilità che la tecnologia CNT sia la soluzione per fornire una tecnologia di chip più potente e ad alta efficienza energetica nell'era post-Moore.
"Proprio adesso, possiamo fabbricare pochi transistor estremamente potenti su singoli CNT, ma circuiti integrati non molto complicati, Peng ha detto. "D'altra parte, possiamo costruire circuiti integrati basati su CNT con oltre 10k transistor in tre dimensioni utilizzando film sottili CNT ma con prestazioni molto limitate. Nel futuro, dobbiamo unire le due direzioni di ricerca, costruire circuiti integrati su larga scala ad alte prestazioni utilizzando film CNT con prestazioni superiori a quelle della tecnologia dei chip di silicio."
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