(PhysOrg.com) -- Gli ingegneri hanno costruito il primo transistor a nanotubi di carbonio (CNT) con una lunghezza del canale inferiore a 10 nm, una dimensione che è considerata un requisito per la tecnologia informatica nel prossimo decennio. Non solo il minuscolo transistor può controllare a sufficienza la corrente, lo fa significativamente meglio di quanto previsto dalla teoria. Supera persino i migliori transistor al silicio concorrenti su questa scala, dimostrando una densità di corrente superiore a una tensione operativa molto bassa.

Gli ingegneri, dall'IBM T.J. Watson Research Center a Yorktown Heights, New York; ETH Zurigo a Zurigo, Svizzera; e la Purdue University di West Lafayette, Indiana, hanno pubblicato il loro studio sul primo transistor CNT sub-10-nm in un recente numero di Nano lettere .

Molti gruppi di ricerca stanno lavorando per ridurre le dimensioni dei transistor al fine di soddisfare i requisiti della futura tecnologia informatica per dispositivi più piccoli, circuiti integrati più densi. Quando i transistor di oggi (transistor ad effetto di campo a semiconduttore di ossido di metallo di silicio, o Si MOS-FET) sono ridotti, perdono la capacità di controllare efficacemente la corrente elettrica, un problema chiamato effetti a canale corto. Per questa ragione, i ricercatori hanno modificato il design Si MOS-FET nel tentativo di migliorare le prestazioni del transistor con lunghezze di gate inferiori a 10 nm, ma questi dispositivi devono ancora affrontare problemi di prestazioni.

Nel nuovo studio, gli ingegneri hanno scartato del tutto il silicio e si sono rivolti ai CNT a parete singola. Grazie alle loro proprietà elettriche superiori e ai corpi ultrasottili (1-2 nm di diametro), I CNT sono stati proposti per diversi anni in sostituzione del silicio. I loro corpi ultrasottili dovrebbero consentire ai CNT di mantenere il controllo del gate della corrente in un transistor anche a brevi lunghezze di canale, potenzialmente consentendo loro di evitare effetti di canale corto. Il transistor CNT sub-10-nm del team IBM è il primo a dimostrare questi vantaggi.

“Il più grande significato di questo lavoro è nella dimostrazione che i transistor a nanotubi di carbonio non solo possono funzionare bene a lunghezze inferiori a 10 nm, ma che le loro prestazioni sono migliori dei migliori transistor basati su Si segnalati a lunghezze simili, ” ha detto il ricercatore IBM Aaron Franklin PhysOrg.com . “Da anni è noto che ridimensionare i dispositivi in ​​silicio sfuso sarebbe estremamente impegnativo, se non impossibile, quando le lunghezze si avvicinano a 10-15 nm... Le superbe prestazioni a bassa tensione di questo transistor in nanotubi di carbonio in scala sono un segnale che mostra che esiste un'alternativa dimostrabile per i transistor estremamente scalati.

Fino a quando gli ingegneri non hanno costruito il transistor CNT sub-10-nm, nessuno sapeva che si sarebbero comportati così bene. Le teorie prevedevano che i CNT con canali ultrasottili avrebbero sperimentato una perdita di controllo del gate e una perdita di saturazione della corrente di drain in uscita, entrambi i quali degraderebbero le prestazioni.

"Il motivo per cui la teoria ha proiettato una perdita di controllo del gate per i transistor a nanotubi al di sotto di 15 nm circa (nonostante siano estremamente sottili) è correlato ad altre fisiche di trasporto uniche per i dispositivi a nanotubi, " disse Franklin. “Ovvero, le masse effettive del vettore (massa di elettroni) sono molto piccole per i nanotubi rispetto ad altri semiconduttori, il che significa che possono creare tunnel o perdite nel dispositivo più facilmente. Questo è uno dei motivi per cui le teorie avevano suggerito una perdita di controllo del cancello, perché questi vettori "leggeri" inizierebbero a scavare tunnel in modo incontrollabile quando le lunghezze diventassero troppo piccole. Nella carta, mostriamo che la ragione di questa discrepanza è in gran parte dovuta a modelli fisici insufficienti per il trasporto ai contatti nanotubo-metallo:i modelli precedenti ignorano per lo più ciò che potrebbe accadere con gli elettroni che attraversano la giunzione metallo-nanotubi.

Quando gli ingegneri hanno fabbricato diversi transistor individuali sullo stesso nanotubo, il più piccolo con una lunghezza del canale di soli 9 nm, hanno osservato che il transistor più piccolo mostrava un comportamento di commutazione superbo e una saturazione della corrente di drain, sfidando le previsioni. Se confrontati con i migliori transistor al Si sub-10-nm di vari design e diametri, il transistor CNT da 9 nm aveva una densità di corrente normalizzata per il diametro di oltre quattro volte quella del miglior transistor al silicio. E ha mostrato questa impressionante densità di corrente a una bassa tensione operativa (0,5 volt), che è importante per ridurre il consumo di energia.

I ricercatori prevedono che i modelli teorici possono essere migliorati concentrandosi maggiormente sul trasporto tra i contatti metallici e il CNT. Pensano anche che i transistor CNT a 9 nm ad alte prestazioni dimostrino il potenziale per l'utilizzo dei transistor CNT nella tecnologia informatica di domani.

"L'implicazione principale è che i nanotubi di carbonio meritano ancora di essere presi in considerazione per una futura tecnologia dei transistor in scala, " disse Franklin. “Ciò che spesso non viene realizzato da coloro al di fuori del campo è che i transistor a nanotubi di carbonio sono essenzialmente gli unici dispositivi non in silicio che hanno dimostrato sperimentalmente di avere risultati promettenti in transistor estremamente scalati. Ci sono molti dispositivi promossi dalla teoria, o dimostrato in strutture di dispositivi più grandi, ma nessuno è stato in grado di mostrare il livello di prestazioni da banco di ricerca che hanno i nanotubi. Ora, detto ciò, va notato che ci sono sfide future prima che qualcuno vedrà una soluzione di transistor integrata dai nanotubi. Ma, ad oggi, nulla relativo ai transistor a nanotubi si è dimostrato fondamentalmente impossibile da risolvere, dal posizionamento dei nanotubi in posizioni precise alla completa separazione dei nanotubi metallici e semiconduttori”.

Copyright 2012 PhysOrg.com.
Tutti i diritti riservati. Questo materiale non può essere pubblicato, trasmissione, riscritto o ridistribuito in tutto o in parte senza l'espresso permesso scritto di PhysOrg.com.