(PhysOrg.com) -- Ingenieurs hebben de eerste koolstofnanobuis (CNT)-transistor gebouwd met een kanaallengte van minder dan 10 nm, een grootte die wordt beschouwd als een vereiste voor computertechnologie in het komende decennium. Niet alleen kan de kleine transistor de stroom voldoende regelen, het doet dit aanzienlijk beter dan voorspeld door de theorie. Het presteert zelfs beter dan de best concurrerende siliciumtransistors op deze schaal, demonstreert een superieure stroomdichtheid bij een zeer lage bedrijfsspanning.

De ingenieurs, van de IBM T.J. Watson onderzoekscentrum in Yorktown Heights, New York; ETH Zürich in Zürich, Zwitserland; en Purdue University in West Lafayette, Indiana, hebben hun studie over de eerste sub-10-nm CNT-transistor gepubliceerd in een recent nummer van Nano-letters .

Veel onderzoeksgroepen werken aan het verkleinen van transistors om te voldoen aan de eisen van toekomstige computertechnologie voor kleinere, dichtere geïntegreerde schakelingen. Wanneer de hedendaagse transistors (silicium-metaaloxide-halfgeleider-veldeffecttransistoren, of Si MOS-FET's) zijn gekrompen, ze verliezen hun vermogen om elektrische stroom effectief te regelen, een probleem dat korte-kanaaleffecten wordt genoemd. Om deze reden, onderzoekers hebben het Si MOS-FET-ontwerp aangepast in een poging om de transistor beter te laten presteren bij poortlengtes van minder dan 10 nm, maar deze apparaten worden nog steeds geconfronteerd met prestatie-uitdagingen.

In de nieuwe studie de ingenieurs hebben silicium helemaal weggegooid en zijn overgestapt op enkelwandige CNT's. Vanwege hun superieure elektrische eigenschappen en ultradunne (1-2 nm diameter) lichamen, CNT's worden al enkele jaren voorgesteld als vervanging voor silicium. Hun ultradunne lichamen zouden CNT's in staat moeten stellen om de poortcontrole van de stroom in een transistor te behouden, zelfs bij korte kanaallengtes, waardoor ze mogelijk korte-kanaaleffecten kunnen vermijden. De sub-10-nm CNT-transistor van het IBM-team is de eerste die deze voordelen demonstreert.

"Het grootste belang van dit werk is de demonstratie dat koolstofnanobuistransistors niet alleen goed kunnen presteren bij een lengte van minder dan 10 nm, maar dat hun prestaties beter zijn dan de best gerapporteerde Si-gebaseerde transistors van vergelijkbare lengtes, ” IBM-onderzoeker Aaron Franklin vertelde PhysOrg.com . "Het is al jaren bekend dat het schalen van bulksiliciumapparaten een enorme uitdaging zou zijn, zo niet onmogelijk, wanneer lengtes in de buurt komen van 10-15 nm….De uitstekende laagspanningsprestaties van deze geschaalde koolstofnanobuistransistor is een teken dat laat zien dat er een aantoonbaar alternatief is voor extreem geschaalde transistors.”

Totdat de ingenieurs de sub-10-nm CNT-transistor bouwden, niemand wist dat ze dit goed zouden doen. Theorieën voorspelden dat CNT's met ultradunne kanalen een verlies van poortcontrole zouden ervaren, evenals een verlies van afvoerstroomverzadiging in de uitvoer, die beide de prestaties zouden verslechteren.

"De reden dat de theorie een verlies van poortcontrole voor nanobuistransistors onder de 15 nm of zo voorspelde (ondanks dat ze extreem dun zijn) heeft te maken met andere unieke transportfysica voor nanobuis-apparaten, ' zei Franklin. “ Namelijk, de effectieve massa's van de drager (massa van elektronen) zijn erg klein voor nanobuisjes in vergelijking met andere halfgeleiders, wat betekent dat ze gemakkelijker in het apparaat kunnen tunnelen of lekken. Dit is een van de redenen dat theorieën een verlies van poortcontrole hadden gesuggereerd, omdat deze 'lichte' dragers ongecontroleerd zouden gaan tunnelen als de lengtes te klein werden. In de krant, we laten zien dat de reden voor deze discrepantie grotendeels te wijten is aan onvoldoende fysica-modellen voor transport bij de nanobuis-metaalcontacten - eerdere modellen negeren meestal wat er zou kunnen gebeuren met elektronen die door de metaal-nanobuis-overgang gaan.

Toen de ingenieurs verschillende individuele transistors op dezelfde nanobuis maakten, de kleinste met een kanaallengte van slechts 9 nm, ze merkten op dat de kleinste transistor een uitstekend schakelgedrag vertoonde en stroomverzadiging afvoerde, voorspellingen tarten. In vergelijking met de best presterende sub-10-nm Si-transistoren van verschillende ontwerpen en diameters, de 9-nm CNT-transistor had een diameter-genormaliseerde stroomdichtheid van meer dan vier keer die van de beste siliciumtransistor. En het vertoonde deze indrukwekkende stroomdichtheid bij een lage bedrijfsspanning (0,5 volt), wat belangrijk is om het stroomverbruik te verminderen.

De onderzoekers voorspellen dat theoretische modellen verbeterd kunnen worden door meer te focussen op het transport tussen de metalen contacten en CNT. Ze denken ook dat de goed presterende 9-nm CNT-transistoren het potentieel aantonen voor het gebruik van CNT-transistors in de computertechnologie van morgen.

"De belangrijkste implicatie is dat koolstofnanobuisjes nog steeds het overwegen waard zijn voor een toekomstige geschaalde transistortechnologie, ' zei Franklin. "Wat vaak niet wordt gerealiseerd door degenen buiten het veld, is dat koolstofnanobuistransistors in wezen de enige niet-siliciumapparaten zijn waarvan experimenteel is aangetoond dat ze veelbelovend zijn in extreem geschaalde transistors. Er zijn veel apparaten die door theorie worden gepromoot, of gedemonstreerd in grotere apparaatstructuren, maar geen enkele heeft het niveau van onderzoekswerkbankprestaties kunnen aantonen dat nanobuisjes hebben. Nutsvoorzieningen, Dat gezegd hebbende, het moet worden opgemerkt dat er uitdagingen in het verschiet liggen voordat iemand een geïntegreerde transistoroplossing van nanobuisjes zal zien. Maar, daten, niets met nanobuistransistors is fundamenteel onmogelijk op te lossen gebleken, van het plaatsen van nanobuisjes op precieze locaties tot de volledige scheiding van metalen en halfgeleidende nanobuisjes.”

Copyright 2012 PhysOrg.com.
Alle rechten voorbehouden. Dit materiaal mag niet worden gepubliceerd, uitzending, geheel of gedeeltelijk herschreven of herverdeeld zonder de uitdrukkelijke schriftelijke toestemming van PhysOrg.com.