Kolnanorör, stora cylindriska molekyler som består av hybridiserade kolatomer arrangerade i en hexagonal struktur, väckte nyligen stor uppmärksamhet bland elektronikingenjörer. På grund av sin geometriska konfiguration och fördelaktiga elektroniska egenskaper kan dessa unika molekyler användas för att skapa mindre fälteffekttransistorer (FET) som uppvisar hög energieffektivitet.

FET:er baserade på kolnanorör har potential att överträffa mindre transistorer baserade på kisel, men deras fördel i verkliga implementeringar har ännu inte slutgiltigt demonstrerats. En färsk artikel av forskare vid Peking University och andra institut i Kina, publicerad i Nature Electronics , beskriver förverkligandet av FET:er baserade på kolnanorör som kan skalas till samma storlek som en 10 nm kiselteknologinod.

"De senaste framstegen i att uppnå halvledande kolnanorörsarrayer i wafer-skala med hög densitet tar oss ett steg närmare den praktiska användningen av kolnanorör i CMOS-kretsar", säger Zhiyong Zhang, en av forskarna som genomförde studien, till Phys.org. "Men tidigare forskningsansträngningar har huvudsakligen fokuserat på skalningen av kanal- eller grindlängd för kolnanorörstransistorer samtidigt som stora kontaktdimensioner bibehålls, vilket inte kan accepteras för CMOS-kretsar med hög densitet i praktiska tillämpningar.

"Vårt primära mål med det här arbetet är att utforska den verkliga skalningsförmågan hos kolnanorörsarrayer med hjälp av två värdesiffror i kiselindustrin, det vill säga kontaktad grindstigning och area av 6T SRAM-cell, samtidigt som prestandafördelarna bibehålls."

Zhang och hans kollegor siktar i huvudsak på att demonstrera det praktiska värdet av kolnanorörstransistorer, vilket visar att de kan överträffa konventionella kiselbaserade FET:er med en jämförbar gate-pitch och en 6T SRAM-cellarea. För att uppnå detta tillverkade de först FET:er baserade på kolnanorörsmatriser med en kontaktad grindstigning på 175 nm. Denna grindstigning realiserades genom att skala grindens längd och kontaktlängd till 85 nm respektive 80 nm.

"Anmärkningsvärt nog uppvisade transistorerna en imponerande påström på 2,24 mA/μm och en topptranskonduktans på 1,64 mS/μm, vilket överträffade den elektroniska prestandan hos kisel 45 nm nodtransistorer," sa Zhang. "Dessutom bestod 6T SRAM-cellen av dessa ultraskaliga nanorörstransistorer och har tillverkats inom 1 μm ² och fungerar korrekt. Vi undersökte sedan det största hindret, det vill säga kontaktresistansen hos kolnanorörstransistorer för ytterligare skalning."

Tidigare studier har visat att när man följer ett utbrett kontaktschema känt som "sidokontakt", kan laddningsbärare endast injiceras från ytan av kolnanorör. Detta gör motståndet hos nanorörens längd beroende, vilket begränsar i vilken utsträckning de kan miniatyriseras.

För att övervinna detta problem introducerade Zhang och hans kollegor ett nytt system som de kallar "full kontakt". Detta schema innebär att båda ändarna av kolnanorör skärs av innan kontakten bildas, vilket i sin tur gör att en del av bärarna kan injiceras från dessa ändar.

"Det här nya kontaktschemat gör det möjligt för kolnanorörstransistorer att ytterligare nedskalas till kontaktad gate-pitch under 55 nm som motsvarar kisel 10 nm teknologinod, samtidigt som de överträffar 10 nm nod kiseltransistorer på grund av hög bärarmobilitet och Fermi-hastighet," sa Zhang. "Vårt arbete demonstrerade experimentellt en äkta 90 nm nodteknologi med kolnanorör, som kunde göras geometriskt mindre och erbjuda elektronisk prestanda som överträffar kisel 90 nm nodtransistorer."

Denna senaste artikel introducerar en tillförlitlig metod för nedskalade kolnanorörtransistorer, utan att kompromissa med deras prestanda. Hittills har teamet använt sin strategi för att skapa en 90 nm nodtransistor, men genom att omdesigna kontaktstrukturen känner de att dessa transistorer kan krympas under en nod under 10 nm.

I framtiden kan arbetet av Zhang och hans kollegor bidra till skapandet av allt mindre och effektivare kolnanorörsbaserade transistorer. Detta kan få värdefulla konsekvenser för utvecklingen av elektronik.

"Nästa utmaning som vi nu tar oss an är att skala ner kontaktgeometrin för transistorer av kolnanorör av n-typ till att konstruera komplett CMOS-teknik, som är de nödvändiga byggstenarna för moderna digitala IC," tillade Zhang.

"För närvarande använder vi skandium för kontakt av n-typ kolnanorörstransistorer. Vi står dock inför stora svårigheter då vi skalar ner kontaktlängden på grund av oxidationen av denna metall med låg arbetsfunktion. Dessutom arbetar vi för att noggrant karakterisera gränssnittskvaliteten mellan kolnanorörsmatriser och högk-dielektrik, förbättra den till nivån av kisel-CMOS-transistorer för att förbättra grindens styrbarhet och tillförlitlighet."

Mer information: Yanxia Lin et al, Skalning av inriktade kolnanorörstransistorer till en nod under 10 nm, Nature Electronics (2023). DOI:10.1038/s41928-023-00983-3

Journalinformation: Naturelektronik

© 2023 Science X Network