Makalah terbaru merinci skalabilitas karbon nanotube, terobosan integrasi

Carbon nanotube (CNT) menarik bagi industri semikonduktor karena merupakan konduktor listrik yang superior dibandingkan silikon dengan ketebalan bodi hanya 1 nanometer. Jadi mengapa kita belum memiliki chip CNT dalam segala hal mulai dari mainframe hingga perangkat seluler? Skalabilitas transistor dan integrasi skala besar masih menjadi tantangan besar. Tetapi dua makalah yang saya dan rekan saya publikasikan baru-baru ini di Science dan Nature Nanotechnology tunjukkan terobosan yang menjanjikan di dua area yang penting bagi realitas chip CNT ini.

Pencapaian jejak memberi tip pada skala nano

Pertama:penskalaan. Kita tahu chip silikon 3D FinFET dapat mencapai batas kekuatan dan kinerjanya pada 7 nanometer. Dan sementara pengumuman transistor nanosheet silikon 5nm baru-baru ini meningkatkan skala, daya, dan kinerja pada node berikutnya, kami juga mengetahui batasannya.

Transistor lebih dari gerbangnya. Source, Drain, dan spacer semuanya ditambahkan untuk jejak total. Foto:transistor CNT dengan tapak 40nm. (Gambar 1B dalam “Transistor tabung nano karbon diskalakan ke jejak 40 nanometer”, diterbitkan di Science.)

Dalam Ilmu . kami makalah “Transistor tabung nano karbon diskalakan ke tapak 40 nanometer,” kami menskalakan seluruh transistor CNT ke tujuan The International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS) transistor mencapai tapak 40nm – tujuan yang mereka tetapkan dan belum berubah sejak 2015 Sebagai referensi, transistor 14nm paling mutakhir saat ini sebenarnya menggunakan sekitar 90nm chip real estat.

Kami berpotensi dapat menskalakan transistor CNT lebih jauh dari silikon karena alasan utama bahwa mereka secara intrinsik hanya setebal 1,2 nm. ketipisan . ini memiliki efek domino mengurangi panjang gerbang menjadi 10 nm karena memberikan kontrol elektrostatik gerbang yang lebih baik, dan membantu meminimalkan kebocoran arus. Selain itu, elektron bergerak lebih cepat dalam CNT daripada silikon, sehingga meningkatkan kinerja perangkat.

Tetapi kami membutuhkan cara baru untuk menghubungkan CNT ke sumber dan salurannya (foto). Kami harus menemukan campuran bahan yang sempurna yang dapat "memanggang" elemen 10nm ini bersama-sama pada suhu yang dapat diproduksi. Kontak end-bonded kami sebelumnya yang berfungsi antara sumber-dan-CNT, dan saluran-dan-CNT memerlukan suhu pemrosesan yang sangat tinggi, sekitar 850 °C, sehingga saluran tidak boleh lebih pendek dari 60–100 nm. Beralih ke paduan kobalt-molibdenum untuk pengkabelan antar elemen secara efektif menurunkan suhu hingga 650 °C yang dapat diterima – memperpendek jarak hingga 10nm.

Qing Cao, penulis utama makalah ini, dan rekan lain di tim menunjukkan bahwa – pada jejak yang baru dicapai ini – transistor CNT dapat mencapai kinerja pada tingkat yang sebanding dengan standar transistor saat ini.

Elemen CNT bersatu pada osilator cincin

Mendemonstrasikan transistor tunggal dengan skala yang sangat besar, bahkan dengan aliran proses yang kurang dapat diproduksi, memberi kami motivasi untuk memecahkan tantangan integrasi untuk teknologi CNT yang praktis. Dan selama lima tahun terakhir, tim saya telah mengembangkan elemen individual dari teknologi CNT. Kami tahu cara memisahkan CNT semikonduktor, membuat CNT "merakit sendiri" pada wafer, dan membuat Transistor Efek Medan CNT n-channel yang andal, atau "FET" (yang biasanya terdegradasi dengan cepat karena kontak oksidasi logam) menggunakan berbagai teknik.

Semua elemen harus bekerja secara simultan dalam osilator ring fungsional . Foto:Gambar mikroskop elektron pemindaian tampak atas dari osilator cincin CNT 5 tahap dan parit yang ditempatkan CNT. (Gambar 1B dalam “Sirkuit terintegrasi logika berkecepatan tinggi dengan solusi yang diproses sendiri karbon nanotube”, diterbitkan di Nature Nanotechnology.)

Tantangan dalam mengembangkan teknologi tahap awal yang mengganggu adalah bahwa beberapa teknik yang digunakan untuk memecahkan satu masalah dapat berakhir dengan menghancurkan elemen lain dari perangkat dan sirkuit. Ini adalah alasan mendasar mengapa semua demonstrasi berbasis nanoteknologi, seperti yang menggunakan CNT, terbatas pada tingkat integrasi yang sangat rendah. Dan itu menimbulkan keraguan tentang kelayakan menggunakannya secara praktis.

Namun kami mengambil langkah maju yang besar dalam memecahkan tantangan integrasi ini dalam Nature Nanotechnology our kami makalah, “Sirkuit terintegrasi logika berkecepatan tinggi dengan solusi pemrosesan karbon nanotube rakitan sendiri,” di mana kami menunjukkan cara menyatukan semua bagian untuk membuat sirkuit benchmark standar dalam teknologi logika apa pun – osilator cincin CMOS.

Dr. Jianshi Tang dan anggota tim saya yang lain menggabungkan metode kami yang dikembangkan sebelumnya untuk memurnikan dan menempatkan CNT bersama-sama (secara individual, mereka terlihat seperti pasta penne yang mengambang dalam larutan), tetapi membuat satu penyesuaian utama dengan menambahkan oksida dinding samping untuk melindungi saluran n-FET dari degradasi selama proses pembuatan (dinding samping menghasilkan hasil tiga kali lebih tinggi, yang selanjutnya memastikan bahwa persyaratan semua elemen pada osilator cincin bekerja secara bersamaan terpenuhi).

Osilator cincin CMOS 5 tahap fungsional yang dijelaskan dalam makalah (dan digambarkan di atas) sudah dapat bekerja pada 1 V (standar industri). Meskipun kepadatan CNT rendah di saluran (Anda dapat melihat enam CNT dalam gambar yang sama) dan parameter santai, frekuensi peralihan panggung mencapai 2,8 GHz (355 picosecond) – contoh pertama untuk memecahkan penghalang GHz untuk demonstrasi berbasis nanoteknologi. Diproyeksikan bahwa, dengan kepadatan lebih dari 100 CNT per mikrometer, dan dimensi perangkat yang diskalakan dengan benar, kami dapat mencapai penundaan tahap sub-pikodetik, jauh lebih cepat daripada chip silikon saat ini.

Seperti yang kami tulis di koran:

Karena osilator cincin CMOS secara langsung mencerminkan kematangan teknologi, ini adalah bukti yang telah lama ditunggu-tunggu bahwa masalah penting dalam mentransisikan materi yang menjanjikan ini menjadi teknologi nyata sedang diselesaikan dengan penuh semangat.

Simpan