Вуглецеві нанотрубки в транзисторах дозволять подолати принцип квантової невизначеності

Вуглецеві нанотрубоки

Багато авторитетних експертів вважають, що технології, що дозволяють зменшувати розміри кремнієвих металооксидних напівпровідникових (complimentary metal-oxide semiconductor, CMOS) транзисторів підійдуть до межі фізичних обмежень вже в 2020 році.

Після цього, для подальшого зниження розмірів транзисторів і відповідного збільшення їх швидкодії та ефективності, людям потрібно щось нове. В якості одного з варіантів цього нового вже давно розглядаються вуглецеві нанотрубки (carbon nanotube, CNT), але до останнього часу їх практичне використання в мікроелектроніці було і є зараз неможливим в силу декількох проблем технічного плану. Справедливості заради варто відзначити, що на основі нанотрубок вже були створені зразки польових транзисторів (field-effect transistor, FET), але ці зразки були лише продуктом роботи наукових лабораторій.

Однак, безліч досліджень, в ході яких розроблялися нові технології, вивчалися властивості вуглецевих нанотрубок і методи управління цими властивостями, все ж підготували твердий грунт для подальших проривів. І першим з таких проривів стали польові транзистори на вуглецевих нанотрубках, розроблені вченими з Пекінського університету, Китай. Ключовим моментом даного досягнення є те, що довжина затвора, керуючого електрода цього транзистора, дорівнює всього п’яти нанометрів, а за усіма електричними і швидкісним параметрами такі транзистори виграють у багато разів у кремнієвих транзисторів таких розмірів, які існують зараз поки тільки в теорії.

При робочій напрузі в 0.4 В, струм, який може протікати через нанотрубочного транзистор, набагато вище струму, який здатний пропустити через себе кремнієвий транзистор при напрузі 0.7 В.Все характеристики нового транзистора порівнювалися, згідно з інформацією від Ліенн-Мао Пенга (Lian-Mao Peng ), провідного дослідника, з параметрами 14-нм кремнієвих CMOS-транзисторів компанії Intel, які є зараз найкращими в галузі.

Оскільки електрична ємність затвора у нового транзистора менше, він може перемикатися швидше. Затримка включення-виключення, обумовлена ємністю затвора, у нанотрубочних транзисторів дорівнює приблизно 70 фемтосекундам, що становить одну третину від швидкості перемикання 14-нм кремнієвих транзисторів (220 фемтосекунд).

На відміну від більшості польових транзисторів на основі вуглецевих нанотрубок, графену і інших наноматеріалів , транзистори, створені китайськими дослідниками, мають структуру, відмінну від типової структури зі зворотним затвором (back gated). Це означає, що електрод затвора знаходиться нижче ізоляційного шару, що відокремлює його від каналу з нанотрубки, на жаль, через цю особливість транзистори такої структури досить важко об’єднувати в складні схеми . Замість цього китайські дослідники розмістили електрод затвора поверх вуглецевої нанотрубки. Це значно спрощує створення схем з таких транзисторів на кристалах чіпів і, крім цього, електрод затвора і шар ізолятора захищають канал з нанотрубки від будь-яких впливів з боку навколишнього середовища.

Природно, що використання окремих підігнаних по довжині і товщині вуглецевих нанотрубок не дуже підходить для умов масового виробництва напівпровідникових чіпів.

“Тепер, коли ми зробили всі необхідні вимірювання і підтвердили потенціал нашої технології, ми займемося розробкою технології виготовлення польових транзисторів з використанням вирівняних матриць нанотрубок високої чистоти і високої щільності. Ці матриці робляться досить просто, а для перетворення нанотрубок в транзистори ми будемо використовувати ті ж самі технології, що і для виробництва першого дослідного зразка “- пишуть дослідники.

“Ми вважаємо, що у електроніки на базі вуглецевих нанотрубок з’явився непоганий шанс замінити кремнієві CMOS-технології вже до 2022 року, незважаючи на деякі наявні поки труднощі. Ключовим моментом переходу на нанотрубки стане пошук процесу отримання великої кількості нанотрубок ідеальної форми і розмірів, і ця проблема, без сумнівів, буде успішно вирішена через один-два роки “.