Terobosan CNT dalam Skalabilitas dan Integrasi Transistor Membuka Jalan untuk Chip Generasi Berikutnya

Nanotube karbon (CNT) menarik bagi sektor semikonduktor karena menyampaikan konduktivitas listrik luar biasa sambil hanya tebal 1 nm—sangat lebih tipis dibanding silikon. Meskipun janji ini, chip berbasis CNT belum hadir di perangkat utama. Hambatan yang tersisa adalah integrasi skala besar dan skalabilitas transistor. Makalah terbaru yang kami tulis bersama di Science dan Nature Nanotechnology menawarkan solusi yang menjanjikan untuk kedua tantangan ini.

Pencapaian Footprint menyinggung skala nano

Skalabilitas adalah hambatan pertama. Perangkat FinFET silikon tiga dimensi mendekati batas daya dan kinerja pada panjang gerbang 7 nm. Bahkan transistor nanosheet silikon 5 nm terbaru, sambil memberikan kepadatan dan kecepatan yang lebih tinggi, akhirnya akan mencapai batasnya sendiri.

Sebuah transistor lebih dari sekadar gerbangnya. Source, Drain, dan spasi semuanya berkontribusi pada total footprint. Ditampilkan: transistor CNT dengan footprint 40 nm. (Gambar 1B dalam “Carbon nanotube transistors scaled to a 40‑nanometer footprint”, diterbitkan di Science.)

Dalam makalah Science kami, “Carbon nanotube transistors scaled to a 40‑nanometer footprint,” kami mendemonstrasikan transistor CNT lengkap yang memenuhi target ITRS sebesar 40 nm footprint—standar yang tidak berubah sejak 2015. Perbandingan, perangkat komersial 14 nm paling canggih menempati sekitar 90 nm luas chip.

Ketebalan intrinsik CNT sebesar 1,2 nm memungkinkan panjang gerbang pendek hingga 10 nm, memberikan kontrol elektrostatik yang unggul dan kebocoran yang diminimalkan. Selain itu, mobilitas pembawa muatan dalam CNT melebihi silikon, meningkatkan kecepatan perangkat secara keseluruhan.

Namun, integrasi CNT dengan source dan drain membutuhkan strategi kontak baru. Kontak yang diikat ujung sebelumnya memerlukan suhu pemrosesan mendekati 850 °C, yang melarang panjang saluran di bawah 60–100 nm. Dengan mengganti bahan kawat dengan kombinasi kobalt-molibdenum, kami mengurangi anggaran termal menjadi 650 °C, memungkinkan spasi saluran 10 nm.

Penulis utama Dr. Qing Cao dan rekan-rekannya mengonfirmasi bahwa, dalam footprint 40 nm ini, transistor CNT memenuhi atau melebihi metrik kinerja perangkat silikon kontemporer.

Elemen CNT berkumpul pada ring oscillator

Menunjukkan bahwa transistor tunggal yang sangat diskalakan dapat diterapkan meskipun proses tidak ideal telah mendorong usaha kami untuk integrasi CNT komprehensif. Selama lima tahun terakhir, kami menyempurnakan teknik untuk mengurutkan CNT semikonduktor, memandu self-assembly di seluruh wafer, dan menghasilkan transistor efek medan CNT n-channel yang kuat yang menahan degradasi dari oksidasi logam.

Semua elemen harus bekerja secara bersamaan dalam ring oscillator fungsional. Ditampilkan: Gambar SEM top-view dari ring oscillator CNT 5 tahap dan CNT yang ditempatkan di terowongan. (Gambar 1B dalam “High-speed logic integrated circuits with solution processed self-assembled carbon nanotubes”, diterbitkan di Nature Nanotechnology.)

Dalam teknologi mengganggu tahap awal, solusi untuk satu masalah dapat secara tidak sengaja mengkompromikan komponen perangkat atau sirkuit lain. Trade-off ini secara historis membatasi demonstrasi nanoteknologi—termasuk CNT—pada tingkat integrasi rendah, menimbulkan kekhawatiran tentang kelayakan praktis.

Makalah Nature Nanotechnology kami, “High-speed logic integrated circuits with solution-processed self-assembled carbon nanotubes,” mendemonstrasikan terobosan: merakit semua komponen yang diperlukan ke dalam ring oscillator CMOS yang berfungsi sepenuhnya, acuan yang banyak digunakan untuk teknologi logika.

Dr. Jianshi Tang dan kolaborasi menggabungkan teknik pemurnian dan penempatan yang kami kembangkan—divisualisasikan sebagai CNT ‘pasta penne’ terisolasi dalam larutan—dengan tambahan kunci: oksida sisi yang melindungi saluran n-FET selama proses pembuatan. Modifikasi ini meningkatkan hasil tiga kali lipat, memastikan setiap elemen ring oscillator beroperasi dengan andal.

Ring oscillator CMOS 5 tahap yang dijelaskan—beroperasi pada standar industri 1 V—mencapai frekvensi perpindahan tahap sebesar 2,8 GHz (355 ps) meskipun densitas CNT yang relatif rendah (hanya enam CNT terlihat dalam saluran). Ini menandai demonstrasi nanoteknologi pertama yang melewati ambang 1 GHz. Dengan ekstrapolasi ke densitas CNT yang melebihi 100 CNTs µm⁻¹ dengan perangkat yang diskalakan dengan tepat, kami meramalkan keterlambatan tahap sub-pikosekon, jauh melampaui teknologi silikon saat ini.

Seperti yang kami tulis dalam makalah:

Karena ring oscillator CMOS langsung mencerminkan kematangan teknologi, ini adalah bukti yang lama ditunggu-tunggu bahwa isu penting dalam transisi material yang menjanjikan ini menjadi teknologi nyata sedang diselesaikan dengan gigih.