(PhysOrg.com) - Ingenjörer har byggt den första kolnanorörtransistorn (CNT) med en kanallängd under 10 nm, en storlek som anses vara ett krav för datorteknik under det kommande decenniet. Den lilla transistorn kan inte bara styra strömmen tillräckligt, det gör det betydligt bättre än vad teorin förutsäger. Det överträffar till och med de bästa konkurrerande kiseltransistorerna i denna skala, visar en överlägsen strömtäthet vid en mycket låg driftspänning.

Ingenjörerna, från IBM T.J. Watson Research Center i Yorktown Heights, New York; ETH Zürich i Zürich, Schweiz; och Purdue University i West Lafayette, Indiana, har publicerat sin studie om den första sub-10-nm CNT-transistorn i ett nyligen utgåva av Nano bokstäver .

Många forskargrupper arbetar med att minska storleken på transistorer för att uppfylla kraven i framtida datorteknik för mindre, tätare integrerade kretsar. När dagens transistorer (kiselmetalloxid-halvledarfält-effekt-transistorer, eller Si MOS-FET) krymper, de tappar sin förmåga att effektivt styra elektrisk ström, ett problem som kallas kortkanalseffekter. Av denna anledning, forskare har modifierat Si MOS-FET-designen i ett försök att få transistorn att fungera bättre vid grindlängder under 10 nm, men dessa enheter står fortfarande inför prestationsutmaningar.

I den nya studien, ingenjörerna har kasserat kisel helt och hållet och vände sig till enväggiga CNT. På grund av deras överlägsna elektriska egenskaper och ultratunna (1-2 nm diameter) kroppar, CNT har föreslagits som ersättning för kisel i flera år. Deras ultratunna kroppar bör tillåta CNT att behålla grindkontroll av strömmen i en transistor även vid korta kanallängder, möjligen möjliggör för dem att undvika kortkanalseffekter. IBM-teamets CNT-transistor under 10 nm är den första som visar dessa fördelar.

”Den största betydelsen av detta arbete är i demonstrationen att kolnanorörstransistorer inte bara kan fungera bra vid längder under 10 nm, men att deras prestanda är bättre än de bäst rapporterade Si-baserade transistorerna på liknande längder, ”Berättade IBM -forskaren Aaron Franklin PhysOrg.com . ”I åratal har det varit känt att skala kiselanordningar i bulk skulle vara extremt utmanande, om inte omöjligt, när längder närmar sig på 10-15 nm… .Den fantastiska lågspänningsprestandan för denna skalade kolnanorörstransistor är ett skyltstolpe som visar att det finns ett påvisbart alternativ för extremt skalade transistorer. ”

Tills ingenjörerna byggde CNT-transistorn under 10 nm, ingen visste att de skulle klara detta bra. Teorier förutspådde att CNT med ultratunna kanaler skulle uppleva en förlust av grindkontroll samt en förlust av dräneringsströmmättnad i utgången, som båda skulle försämra prestanda.

"Anledningen till att teorin förmodade en förlust av grindkontroll för nanorörstransistorer under 15 nm eller så (trots att de är extremt tunna) är relaterad till annan unik transportfysik för nanorörsenheter, ”Sa Franklin. ”Nämligen, bärarens effektiva massor (elektronmassa) är mycket små för nanorör jämfört med andra halvledare, vilket innebär att de lättare kan tunnelera eller läcka in enheten. Detta är en av anledningarna till att teorier föreslog en förlust av grindkontroll, eftersom dessa "lätta" bärare skulle börja tunnla okontrollerbart när längderna blev för små. I tidningen, vi visar att orsaken till denna skillnad till stor del beror på otillräckliga fysikmodeller för transport vid nanorör-metallkontakterna-tidigare modeller ignorerar mestadels vad som kan hända med elektroner som kommer genom metall-nanorörskorsningen. ”

När ingenjörerna tillverkade flera enskilda transistorer på samma nanorör, den minsta med en kanallängd på bara 9 nm, de observerade att den minsta transistorn uppvisade suveränt kopplingsbeteende och dränerar strömmättnad, trotsar förutsägelser. Jämfört med de bäst presterande Si-transistorerna under 10 nm med olika design och diametrar, 9-nm CNT-transistorn hade en diameternormaliserad strömtäthet på mer än fyra gånger den för den bästa kiseltransistorn. Och den uppvisade denna imponerande strömtäthet vid en låg driftspänning (0,5 volt), vilket är viktigt för att minska strömförbrukningen.

Forskarna förutspår att teoretiska modeller kan förbättras genom att fokusera mer på transporten mellan metallkontakterna och CNT. De tror också att de högpresterande 9-nm CNT-transistorerna visar potentialen för att använda CNT-transistorer i morgondagens datorteknik.

"Den främsta innebörden är att kolnanorör fortfarande är värda att överväga för en framtida skalad transistorteknik, ”Sa Franklin. "Det som ofta inte inses av dem utanför fältet är att kolnanorörstransistorer i huvudsak är de enda icke-kiselanordningar som experimentellt har visat sig ha löften i extremt skalade transistorer. Det finns många enheter som främjas av teori, eller demonstreras i större enhetsstrukturer, men ingen har kunnat visa nivån på forskningsbänkprestanda som nanorör har. Nu, som sagt, det bör noteras att det är utmaningar framför oss innan någon kommer att se en integrerad transistorlösning från nanorör. Men, hittills, inget relaterat till nanorörstransistorer har visat sig vara i grunden omöjligt att lösa, från placering av nanorör på exakta platser till fullständig separation av metalliska och halvledande nanorör. ”

Copyright 2012 PhysOrg.com.
Alla rättigheter förbehållna. Detta material får inte publiceras, utsända, omskrivet eller omfördelat helt eller delvis utan uttryckligt skriftligt tillstånd från PhysOrg.com.