CNT Doorbraken in Transistor Schaling en Integratie Ebben Weg voor Next-Gen Chips

Koolstofnanotubes (CNTs) zijn aantrekkelijk voor de halfgeleidersector omdat ze uitzonderlijke elektrische geleiding leveren terwijl ze slechts 1nm dik zijn - ver dunner dan silicium. Ondanks deze belofte, zijn CNT-gebaseerde chips afwezig van mainstream apparaten. De obstakels blijven grootschalige integratie en transistor schaalbaarheid. Recente papers die wij co-auteurden in Science en Nature Nanotechnology presenteren veelbelovende oplossingen voor beide uitdagingen.

Footprint prestatie tip de nanoscale

Schaling is de eerste hurdle. Driedimensionale FinFET silicium apparaten benaderen hun stroom- en prestatieplafond bij een 7nm gate lengte. Zelfs de nieuwste 5nm silicium nanosheet transistors, terwijl ze hogere densiteit en snelheid leveren, zullen uiteindelijk hun eigen limieten bereiken.

Een transistor is meer dan zijn gate. De Source, Drain, en spacers tellen allemaal op voor een totale footprint. Afgebeeld: een CNT transistor met een 40nm footprint. (Figuur 1B in "Carbon nanotube transistors scaled to a 40-nanometer footprint", gepubliceerd in Science.)

In ons Science paper, "Carbon nanotube transistors scaled to a 40-nanometer footprint," demonstreerden wij een complete CNT transistor die het ITRS target van een 40nm footprint haalt - een benchmark onveranderd sinds 2015. In vergelijking, de meest geavanceerde commerciële 14nm apparaten innemen ruwweg 90nm van chip oppervlakte.

De intrinsieke 1,2nm dikte van CNTs laat gate lengtes zo kort als 10nm toe, leverend superieure elektrostatische controle en verminderde lekkage. Bovendien overtreft carrier mobiliteit in CNTs die van silicium, wat algehele apparaatsnelheid boost.

Echter, het integreren van CNTs met hun source en drain vereiste een nieuwe contact strategie. Eerdere end-bonded contacten vereisten verwerkingstemperaturen nabij 850°C, wat kanaallengtes onder 60-100nm verbod. Door het bedradingsmateriaal te vervangen met een kobalt-molybdeen alliage, reducerden wij de thermische budget tot 650°C, wat 10nm kanaalafstanden mogelijk maakte.

Lead auteur Dr. Qing Cao en collega's bevestigden dat, binnen deze 40nm footprint, CNT transistors voldoen aan of overtreffen de prestatiemetrieken van hedendaagse silicium apparaten.

CNT elementen komen samen op ring oscillator

Het tonen dat een enkele, hoog geschaalde transistor haalbaar is - ondanks een non-ideaal proces - heeft onze zoektocht naar uitgebreide CNT integratie gedreven. De afgelopen vijf jaar hebben wij technieken verfijnd voor het sorteren van halfgeleidende CNTs, het giden van hun self-assembly over wafers, en het produceren van robuuste n-kanaal CNT field-effect transistors die degradatie van metaal oxidatie weerstaan.

Alle elementen moeten gelijktijdig werken in een functionele ring oscillator. Afgebeeld: Top-view scanning electronenmicroscopie beeld van een 5-fase CNT ring oscillator en CNTs placed trenches. (Figuur 1B in "High-speed logic integrated circuits with solution processed self-assembled carbon nanotubes", gepubliceerd in Nature Nanotechnology.)

In early-stage disruptive technologies, kunnen oplossingen voor één probleem ongewild andere device of circuit componenten compromitteren. Deze trade-off heeft historisch nanotechnologie demonstraties - inclusief CNTs - tot lage integratieniveaus beperkt, wat zorgen oogst over hun praktische haalbaarheid.

Ons Nature Nanotechnology paper, "High-speed logic integrated circuits with solution-processed self-assembled carbon nanotubes," demonstreert een doorbraak: het assembleren van alle benodigde componenten in een volledig functionele CMOS ring oscillator, een breed gebruikte benchmark voor logica technologieën.

Dr. Jianshi Tang en collaborateurs mergeerden onze gevestigde zuiverings- en plaatsingstechnieken - gevisualiseerd als geïsoleerde 'penne-pasta' CNTs in oplossing - met een cruciale toevoeging: een zijwand oxide dat de n-FET kanaal door de gehele fabricatie beschermt. Deze modificatie verdrievoudigde de opbrengst, waarborgend dat elk element van de ring oscillator betrouwbaar opereert.

De 5-fase CMOS ring oscillator beschreven - opererend op de industrie-standaard 1V - bereikt een fasenschakelfrequentie van 2,8GHz (355ps) ondanks een bescheiden CNT densiteit (alleen zes CNTs zichtbaar in de kanaal). Dit markeert de eerste nanotechnologie demonstratie die de 1GHz drempel overstijgt. Extrapolerend naar een CNT densiteit van meer dan 100 CNTs µm⁻¹ met passend geschaalde apparaten, projecteren wij sub-picosecond fasenvertragingen, ver overtreffend huidige silicium technologie.

Zoals wij in het paper schrijven:

Omdat CMOS ring oscillators direct de rijpheid van de technologie weerspiegelen, is het langverwachte bewijs dat de belangrijke kwesties van het overbrengen van dit veelbelovende materiaal in een echte technologie vigoros worden opgelost.