(PhysOrg.com) - Los ingenieros han construido el primer transistor de nanotubos de carbono (CNT) con una longitud de canal por debajo de 10 nm, un tamaño que se considera un requisito para la tecnología informática en la próxima década. El pequeño transistor no solo puede controlar suficientemente la corriente, lo hace significativamente mejor de lo que predice la teoría. Incluso supera a los mejores transistores de silicio de la competencia a esta escala, demostrando una densidad de corriente superior a un voltaje de funcionamiento muy bajo.

Los ingenieros, del IBM T.J. Centro de Investigación Watson en Yorktown Heights, Nueva York; ETH Zurich en Zurich, Suiza; y la Universidad de Purdue en West Lafayette, Indiana, han publicado su estudio sobre el primer transistor CNT sub-10-nm en un número reciente de Nano letras .

Muchos grupos de investigación están trabajando para reducir el tamaño de los transistores con el fin de cumplir con los requisitos de la tecnología informática del futuro para los más pequeños, circuitos integrados más densos. Cuando los transistores de hoy (transistores de efecto de campo de semiconductores de óxido de metal de silicio, o Si MOS-FET) se encogen, pierden la capacidad de controlar eficazmente la corriente eléctrica, un problema llamado efectos de canal corto. Por esta razón, Los investigadores han estado modificando el diseño de Si MOS-FET en un intento de hacer que el transistor funcione mejor en longitudes de puerta por debajo de 10 nm, pero estos dispositivos aún enfrentan desafíos de rendimiento.

En el nuevo estudio, los ingenieros han descartado el silicio por completo y han optado por CNT de pared simple. Debido a sus propiedades eléctricas superiores y cuerpos ultrafinos (1-2 nm de diámetro), Los CNT se han propuesto como reemplazo del silicio durante varios años. Sus cuerpos ultradelgados deberían permitir que los CNT mantengan el control de la puerta de la corriente en un transistor incluso en longitudes de canal cortas, potencialmente permitiéndoles evitar los efectos de canal corto. El transistor CNT sub-10-nm del equipo de IBM es el primero en demostrar estas ventajas.

“La mayor importancia de este trabajo es la demostración de que los transistores de nanotubos de carbono no solo pueden funcionar bien en longitudes inferiores a 10 nm, pero que su rendimiento es mejor que el de los transistores basados ​​en Si mejor informados en longitudes similares, "El investigador de IBM, Aaron Franklin, dijo PhysOrg.com . “Durante años se ha sabido que escalar dispositivos de silicio a granel sería extremadamente desafiante, si no imposible, cuando las longitudes se acercan a los 10-15 nm ... El excelente rendimiento de bajo voltaje de este transistor de nanotubos de carbono escalado es un signo de que existe una alternativa demostrable para transistores extremadamente escalados ".

Hasta que los ingenieros construyeron el transistor CNT sub-10-nm, nadie sabía que lo harían tan bien. Las teorías predijeron que los CNT con canales ultrafinos experimentarían una pérdida de control de la puerta, así como una pérdida de saturación de la corriente de drenaje en la salida. ambos degradarían el rendimiento.

“La razón por la que la teoría proyectaba una pérdida de control de puerta para transistores de nanotubos por debajo de los 15 nm aproximadamente (a pesar de ser extremadamente delgados) está relacionada con otra física de transporte única para dispositivos de nanotubos, Dijo Franklin. "A saber, las masas efectivas del portador (masa de electrones) son muy pequeñas para los nanotubos en comparación con otros semiconductores, lo que significa que pueden hacer un túnel o filtrarse en el dispositivo más fácilmente. Esta es una de las razones por las que las teorías habían sugerido una pérdida de control de la puerta, porque estos portaaviones "ligeros" comenzarían a hacer túneles incontrolablemente cuando las longitudes se volvieran demasiado pequeñas. En el papel, mostramos que la razón de esta discrepancia se debe en gran parte a la insuficiencia de los modelos físicos para el transporte en los contactos nanotubos-metal; los modelos anteriores ignoran en su mayoría lo que podría estar sucediendo con los electrones que atraviesan la unión metal-nanotubos ”.

Cuando los ingenieros fabricaron varios transistores individuales en el mismo nanotubo, el más pequeño tiene una longitud de canal de solo 9 nm, observaron que el transistor más pequeño exhibía un excelente comportamiento de conmutación y una saturación de corriente de drenaje, desafiando las predicciones. En comparación con los transistores de Si sub-10-nm de mejor rendimiento de diferentes diseños y diámetros, el transistor CNT de 9 nm tenía una densidad de corriente de diámetro normalizado de más de cuatro veces la del mejor transistor de silicio. Y exhibió esta impresionante densidad de corriente a una baja tensión de funcionamiento (0,5 voltios), lo cual es importante para reducir el consumo de energía.

Los investigadores predicen que los modelos teóricos pueden mejorarse centrándose más en el transporte entre los contactos metálicos y CNT. También piensan que los transistores CNT de 9 nm de alto rendimiento demuestran el potencial de usar transistores CNT en la tecnología informática del mañana.

“La principal implicación es que los nanotubos de carbono todavía merecen ser considerados para una futura tecnología de transistores a escala, Dijo Franklin. “Lo que a menudo no se dan cuenta los que están fuera del campo es que los transistores de nanotubos de carbono son esencialmente los únicos dispositivos sin silicio que han demostrado experimentalmente que son prometedores en transistores extremadamente escalados. Hay muchos dispositivos promovidos por la teoría, o demostrado en estructuras de dispositivos más grandes, pero ninguno ha podido mostrar el nivel de rendimiento de laboratorio de investigación que tienen los nanotubos. Ahora, dicho eso, Cabe señalar que hay desafíos por delante antes de que alguien vea una solución de transistores integrados de nanotubos. Pero, hasta la fecha, nada relacionado con los transistores de nanotubos ha demostrado ser fundamentalmente imposible de resolver, desde la colocación de nanotubos en ubicaciones precisas hasta la separación completa de nanotubos metálicos y semiconductores ”.

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