研究人員尋求通過在納米管和晶體管柵極之間,使用更薄的絕緣體來更好地控制碳納米晶體管。
在近日的IEEE Electron Devices Meeting (IEDM)會(huì)議上,碳納米管期間的最新研究成果揭曉。臺(tái)灣半導(dǎo)體制造公司(Taiwan Semiconductor Manufacturing Company,TSMC)、加州大學(xué)圣地亞哥分校(University of California San Diego)和斯坦福大學(xué)(Stanford University)的工程師解釋了一種新的制造工藝,這種工藝可以更好地控制碳納米管晶體管。這種控制對(duì)于確保在邏輯電路中起開關(guān)作用的晶體管在需要時(shí)完全關(guān)閉至關(guān)重要。最近,人們對(duì)碳納米管晶體管的興趣有所增加,因?yàn)樗鼈冇型裙杈w管更進(jìn)一步縮小尺寸,并且提供了一種比硅更容易制造電路堆疊層的方法。
研究小組發(fā)明了一種制造更好柵介質(zhì)的方法。這是柵極和晶體管溝道區(qū)域之間的絕緣層。在工作中,柵極上的電壓在溝道區(qū)域形成電場(chǎng),切斷電流。然而,隨著幾十年來硅晶體管的規(guī)模不斷縮小,由二氧化硅制成的絕緣層不得不越來越薄,以便用更少的電壓控制電流,從而降低能耗。最終,絕緣層是如此之薄,以至于電荷實(shí)際上可以穿過它,泄漏電流并浪費(fèi)能量。
十多年前,硅半導(dǎo)體工業(yè)通過改用一種新的介電材料二氧化鉿來解決這個(gè)問題。與先前使用的二氧化硅相比,這種材料具有高介電常數(shù)(high-k),這意味著相對(duì)較厚的high-k介電層在電學(xué)上相當(dāng)于更薄的氧化硅層。
碳納米管晶體管也使用HfO2柵極電介質(zhì)。而碳納米管的問題在于,它們不允許在控制縮小的器件所需的薄層中形成電介質(zhì)。
沉積高介電常數(shù)(high-k)的方法稱為原子層沉積。顧名思義,它一次只構(gòu)建一個(gè)原子層。然而,它需要一個(gè)起點(diǎn)。在硅中,這是在表面自然形成的原子薄層氧化物。
碳納米管并沒有為沉積的開始提供這樣的立足點(diǎn)。它們不會(huì)自然形成氧化層二氧化碳和一氧化碳 -- 畢竟是氣體。而納米管中的任何缺陷都會(huì)導(dǎo)致所需的“懸空鍵”,從而限制其傳導(dǎo)電流的能力。
Images: Greg Pitner/TSMCUntil now, growing a thin layer of the high-k dielectric hafnium dioxide atop a carbon nanotube was impossible. Researchers are Stanford and TSMC solved the problem by adding an intermediate-k dielectric between them.
“形成high-k電介質(zhì)一直是一個(gè)大問題,”主持這項(xiàng)工作的TSMC首席科學(xué)家、斯坦福大學(xué)教授H.-S. Philip Wong說。你必須“基本上,把更厚的氧化物傾倒在納米管上”,而不是你想要的縮小晶體管。為了弄清這個(gè)問題的原因,Wong建議,想象一下,門電壓的作用就像用腳踩在花園的水管上,試圖阻止水流通過。如果在你的腳和水管之間放一堆類似于厚厚的氧化鐵門的枕頭,那就會(huì)變得更難。
臺(tái)積電(TSMC)的Matthias Passlack和加州大學(xué)圣地亞哥分校(UCSD)的Andrew Kummel提出了一種解決方案,將HfO2的原子層沉積與一種新的沉積介電常數(shù)中間材料氧化鋁的方法結(jié)合起來。Al2O3是使用UCSD發(fā)明的一種稱為納米霧的工藝來沉積的。就像水蒸氣凝結(jié)成霧一樣,Al2O3凝結(jié)成團(tuán)簇覆蓋在納米管表面。氫氟酸的原子層沉積可以開始使用這種界面電介質(zhì)作為立足點(diǎn)。
這兩種電介質(zhì)的綜合電氣特性使研究小組得以在直徑僅為15納米的柵極下方建造一個(gè)柵極電介質(zhì)厚度小于4納米的裝置。所得到的器件具有與硅CMOS器件相似的通斷電流比特性,仿真結(jié)果表明,具有更薄柵介質(zhì)的更小器件也可以工作。
但在碳納米管器件能夠與硅晶體管相匹配之前,還有很多工作要做。其中幾個(gè)問題已單獨(dú)解決,但尚未合并到單個(gè)設(shè)備中。例如,Wong的設(shè)備中的單個(gè)納米管限制了晶體管可以驅(qū)動(dòng)的電流。Wong說,讓多個(gè)相同的納米管完美排列是一個(gè)挑戰(zhàn)。北京大學(xué)Lian-Mao Peng實(shí)驗(yàn)室的研究人員最近成功地將每微米250個(gè)碳納米管排成一行,這意味著很快就會(huì)有一個(gè)解決方案。
另一個(gè)問題是該設(shè)備的金屬電極和碳納米管之間的電阻,特別是當(dāng)這些觸點(diǎn)被縮小到接近當(dāng)今先進(jìn)硅芯片的尺寸時(shí)。
最后,需要摻雜碳納米管以增加?xùn)艠O兩側(cè)的載流子數(shù)量。這種摻雜是在硅中通過用其他元素取代晶格中的一些原子來實(shí)現(xiàn)的。這在碳納米管中不起作用,因?yàn)樗鼤?huì)破壞結(jié)構(gòu)的電子能力。相反,碳納米管晶體管使用的是所謂的靜電摻雜。在這里,故意操縱電介質(zhì)層的組成,以便將電子提供給納米管或?qū)⑵湟觥?/p>
Wong說:“我們非常興奮,因?yàn)槲覀冋谝粋€(gè)接一個(gè)地?fù)袈渌羞@些碎片。下一步是把所有這些結(jié)合起來……如果我們能把所有這些結(jié)合起來,我們就能打敗硅。”
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原文標(biāo)題:碳納米晶體管體積更小 性能跟硅越來越接近
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