Многие ведущие специалисты полагают, что технологии миниатюризации всех кремниевых металлооксидных полупроводниковых (CMOS) транзисторов достигнут физических пределов уже в самое ближайшее время. Теперь, для дальнейшего повышения производительности и энергоэффективности устройств потребуется принципиально новый подход. В качестве альтернативы CMOS-технологии уже длительное время рассматриваются углеродные нанотрубки. Однако, до настоящего времени их практическое применение в микроэлектронике затруднено рядом технических проблем. Несмотря на то, что в лабораторных условиях были созданы образцы полевых транзисторов на основе нанотрубок, их внедрение в промышленное производство пока не реализовано. Однако, множество исследований, в ходе которых разрабатывались новые технологии, изучались свойства углеродных нанотрубок и методы управления этими свойствами, все же подготовили твердую почву для дальнейших прорывов.
Одним из первых таких прорывов стали полевые транзисторы на углеродных нанотрубках, разработанные учеными из Пекинского университета. Ключевым моментом данного достижения является то, что длина затвора, управляющего электрода этого транзистора, равна всего пяти нанометрам, а по всем электрическим и скоростным параметрам такие транзисторы выигрывают во много раз у кремниевых транзисторов таких размеров, которые существуют сейчас пока только в теории.
При рабочем напряжении в 0.4 В, ток, который может протекать через нанотрубочный транзистор, намного выше тока, который способен пропустить через себя кремниевый транзистор при напряжении 0.7 В.Все характеристики нового транзистора сравнивались, согласно информации от Лиэн-Мао Пенга (Lian-Mao Peng), ведущего исследователя, с параметрами 14-нм кремниевых CMOS-транзисторов компании Intel, которые являются сейчас наилучшими в отрасли.
Поскольку электрическая емкость затвора у нового транзистора меньше, он может переключаться быстрее. Задержка включения-выключения, обусловленная емкостью затвора, у нанотрубочных транзисторов равна приблизительно 70 фемтосекундам, что составляет одну треть от скорости переключения 14-нм кремниевых транзисторов (220 фемтосекунд).
В отличие от большинства полевых транзисторов на основе углеродных нанотрубок, графена и других наноматериалов, транзисторы, созданные китайскими исследователями, имеют структуру, отличную от типовой структуры с обратным затвором (back gated). Это означает, что электрод затвора находится ниже изоляционного слоя, отделяющего его от канала из нанотрубки, к сожалению, из-за этой особенности транзисторы такой структуры достаточно трудно объединять в сложные схемы. Вместо этого китайские исследователи разместили электрод затвора поверх углеродной нанотрубки. Это значительно упрощает создание схем из таких транзисторов на кристаллах чипов и, кроме этого, электрод затвора и слой изолятора защищают канал из нанотрубки от любых влияний со стороны окружающей среды.
Естественно, что использование отдельных подогнанных по длине и толщине углеродных нанотрубок не очень подходит для условий массового производства полупроводниковых чипов.
“Теперь, когда мы произвели все необходимые измерения и подтвердили потенциал нашей технологии, мы займемся разработкой технологии изготовления полевых транзисторов с использованием выровненных матриц нанотрубок высокой чистоты и высокой плотности. Эти матрицы делаются достаточно просто, а для превращения нанотрубок в транзисторы мы будем использовать те же самые технологии, что и для производства первого опытного образца” – пишут исследователи.
“Мы полагаем, что у электроники на базе углеродных нанотрубок появился неплохой шанс заменить кремниевые CMOS-технологии уже к 2022 году, несмотря на некоторые имеющиеся пока трудности. Ключевым моментом перехода на нанотрубки станет поиск процесса получения большого количества нанотрубок идеальной формы и размеров, и эта проблема, без сомнений, будет успешно решена через один-два года”.
