Artigos recentes detalham a escalabilidade do nanotubo de carbono, avanços de integração

Os nanotubos de carbono (CNT) atraem a indústria de semicondutores porque são condutores elétricos superiores em comparação com o silício, com apenas 1 nanômetro de espessura de corpo. Então, por que ainda não temos chips CNT em tudo, de mainframes a dispositivos móveis? A escalabilidade do transistor e a integração em grande escala ainda são grandes desafios. Mas dois artigos que meus colegas e eu publicamos recentemente na Ciência e Nature Nanotechnology mostram avanços promissores nessas duas áreas críticas para a realidade do chip CNT.

Dicas de conquista da pegada em nanoescala

Primeiro:dimensionamento. Sabemos que os chips de silício 3D FinFET podem atingir seu limite de potência e desempenho de 7 nanômetros. E embora o recente anúncio dos transistores de nanofolha de silício de 5 nm aumentem a escala, a potência e o desempenho no próximo nó, também conhecemos seus limites.

Um transistor é mais do que seu portão. A fonte, o dreno e os espaçadores somam-se para uma pegada total. Na foto:um transistor CNT com pegada de 40 nm. (Figura 1B em "Transistores de nanotubos de carbono dimensionados para uma pegada de 40 nanômetros", publicado na Science.)

Em nossa Ciência artigo “Transistores de nanotubos de carbono dimensionados para uma pegada de 40 nanômetros”, dimensionamos um transistor CNT inteiro para o objetivo do International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS) de transistores atingirem uma pegada de 40 nm - uma meta que eles estabeleceram e não mudou desde 2015 Para referência, os transistores topo de linha de 14 nm atualmente ocupam cerca de 90 nm do espaço do chip.

Podemos potencialmente dimensionar um transistor CNT além do silício pela razão principal de que eles têm intrinsecamente apenas 1,2 nm de espessura. Esta magreza tem o efeito dominó de reduzir o comprimento da porta para 10 nm porque fornece um melhor controle eletrostático da porta e ajuda a minimizar o vazamento de corrente. Além disso, os elétrons viajam mais rápido em CNTs do que no silício, melhorando o desempenho do dispositivo.

Mas precisávamos de uma nova maneira de conectar os CNTs à sua fonte e dreno (foto). Tivemos que encontrar a combinação perfeita de materiais que pudessem “assar” esses elementos de 10 nm juntos em uma temperatura de fabricação. Nossos contatos pré-ligados entre a fonte e o CNT e o dreno e o CNT exigiam temperaturas de processamento tão altas, em torno de 850 ° C, que o canal não poderia ser menor do que 60–100 nm. Mudar para uma liga de cobalto-molibdênio para a fiação entre os elementos efetivamente baixou a temperatura para 650 ° C aceitáveis ​​- encolhendo as distâncias para 10 nm.

Dr. Qing Cao, o autor principal do artigo, e outros colegas da equipe demonstraram que - com essa pegada recém-alcançada - o transistor CNT pode atingir um desempenho em um nível comparável aos padrões de transistores de hoje.

Elementos CNT vêm juntos no oscilador de anel

A demonstração de um único transistor extremamente dimensionado, mesmo com um fluxo de processo menos manufaturável, nos deu a motivação para resolver os desafios de integração para tecnologias de CNT práticas. E nos últimos cinco anos, minha equipe tem desenvolvido elementos individuais da tecnologia CNT. Sabemos como separar os CNTs semicondutores, fazer os CNTs "se auto-montar" em um wafer e fabricar transistores de efeito de campo CNT de canal n confiáveis ​​ou "FETs" (que geralmente se degradam rapidamente devido à oxidação do metal de contato) usando várias técnicas.

Todos os elementos devem funcionar simultaneamente em um oscilador de anel funcional . Na foto:imagem de microscopia eletrônica de varredura de vista superior de um oscilador de anel CNT de 5 estágios e CNTs colocados em trincheiras. (Figura 1B em "Circuitos integrados lógicos de alta velocidade com nanotubos de carbono automontados processados ​​por solução", publicado na Nature Nanotechnology.)

O desafio de desenvolver uma tecnologia disruptiva em estágio inicial é que algumas técnicas usadas para resolver um problema podem acabar destruindo outros elementos do dispositivo e do circuito. Esta é a razão fundamental pela qual todas as demonstrações baseadas em nanotecnologia, como aquelas usando CNTs, foram limitadas a um nível de integração muito baixo. E lança dúvidas sobre a viabilidade de usá-los de forma prática.

Mas demos um grande passo para resolver esse desafio de integração em nossa Nanotecnologia da Natureza artigo, “Circuitos integrados lógicos de alta velocidade com nanotubos de carbono auto-montados processados ​​por solução”, onde mostramos como colocar todas as peças juntas para fazer um circuito de referência padrão em qualquer tecnologia lógica - um oscilador de anel CMOS.

Dr. Jianshi Tang e meus outros membros da equipe combinaram nossos métodos desenvolvidos anteriormente para purificar e colocar CNTs juntos (individualmente, eles se parecem com massa penne flutuando em solução), mas fizeram um ajuste importante adicionando um óxido de parede lateral para proteger o canal n-FET de degradação durante o processo de fabricação (a parede lateral resultou em um rendimento três vezes maior, garantindo ainda que o requisito de todos os elementos do oscilador em anel funcionem simultaneamente).

Os osciladores em anel CMOS funcionais de 5 estágios descritos no artigo (e ilustrados acima) já podem trabalhar a 1 V (um padrão da indústria). Apesar da baixa densidade de CNT no canal (você pode ver os seis CNTs na mesma imagem) e parâmetros relaxados, a frequência de chaveamento de palco atinge 2,8 GHz (355 picossegundos) - o primeiro exemplo de quebrar a barreira de GHz para qualquer demonstração baseada em nanotecnologia. Projeta-se que, com uma densidade de mais de 100 CNTs por micrômetro e dimensões de dispositivo devidamente dimensionadas, podemos alcançar um atraso de estágio sub-picossegundo, significativamente mais rápido do que os chips de silício de hoje.

Enquanto escrevemos no jornal:

Visto que os osciladores em anel CMOS refletem diretamente a maturidade da tecnologia, é uma prova muito esperada que as questões importantes da transição deste material promissor em uma tecnologia real estão sendo vigorosamente resolvidas.

Salve 