(Phys.org):a lo largo de los años 70, Años 80 y 90, El rendimiento del transistor aumentó continuamente de acuerdo con algunas reglas de escala simples. Estas reglas postulan que el tamaño del transistor y el voltaje de suministro deben disminuir a medida que la densidad de potencia permanece constante, resultando en un aumento general del rendimiento. Sin embargo, Las limitaciones físicas detuvieron la escala del voltaje de suministro a principios de la década de 2000, por lo que las reglas de escala simples ya no se aplican. Ahora, cualquier aumento en el rendimiento se produce a costa de un aumento en el consumo de energía, de modo que el rendimiento del transistor se ha estabilizado desde mediados de la década de 2000.

Ahora en un nuevo estudio, investigadores del IBM T.J. Centro de Investigación Watson en Yorktown Heights, Nueva York, han aprovechado el potencial de los nanotubos de carbono como una forma de extender las reglas de escala y lograr mejoras adicionales en el rendimiento de los transistores. Un día, los transistores hechos de nanotubos de carbono pueden formar la columna vertebral de muchos de nuestros dispositivos electrónicos, incluidos teléfonos inteligentes y tabletas.

La interrupción de escala que encontraron los transistores en la última década se debió en gran parte a las características físicas de los propios transistores, que son transistores de efecto de campo semiconductores de óxido de metal de silicio (MOSFET). En los años pasados, Los investigadores han investigado la posibilidad de reemplazar los MOSFET con transistores de efecto de campo de nanotubos de carbono (CNTFET). Estos transistores ya han demostrado muchas características atractivas, incluido un buen rendimiento a bajos voltajes con componentes de canal de menos de 10 nm de longitud, una escala que los MOSFET de silicio no pueden alcanzar físicamente con un buen rendimiento.

"Hay dos razones principales por las que los CNTFET brindan beneficios que los MOSFET no pueden:1) Los CNT son semiconductores de cuerpo ultradelgado (~ 1 nm), lo que les permite integrarse en dispositivos de escala agresiva sin perder el control sobre la corriente en el canal; y 2) los CNTFET pueden operar a bajos voltajes de suministro, lo que significa que pueden proporcionar el nivel de corriente eléctrica necesario para impulsar circuitos integrados a menos voltaje que el que los MOSFET pueden lograr, "El coautor e investigador de IBM, Aaron D. Franklin, dijo Phys.org . "Durante casi una década, ha habido poca o ninguna reducción en el voltaje de suministro para las tecnologías MOSFET; los CNTFET son una de las mejores opciones para cambiar esa tendencia ".

Sin embargo, para competir con MOSFETS, Los CNTFET aún requieren varios avances importantes, incluyendo una puerta escalable que se puede alinear automáticamente con la fuente y los contactos de drenaje, dispositivos complementarios de tipo n y p (que difieren debido a la polarización), y compatibilidad con el procesamiento de cables necesario para construir circuitos.

En su papel los investigadores han cumplido estos tres requisitos mediante la construcción de un transistor CNT con una puerta que rodea completamente el canal CNT. Los investigadores explican que esta geometría de compuerta todo alrededor (GAA) es ideal porque protege al CNT del acoplamiento con los CNT vecinos y de las cargas parásitas que se acercan demasiado en una escala tan pequeña y causan inestabilidad.

"La mayor trascendencia de este trabajo es la implementación de una compuerta que envuelve completamente los canales cilíndricos CNT, ", Dijo Franklin." Debido a que los nanotubos son solo moléculas individuales de ~ 1 nm de diámetro y están hechos de una sola capa de átomos (hueca en el interior), son muy sensibles a las perturbaciones eléctricas en su vecindad. Al envolver cada canal CNT en su propia puerta dieléctrica y metálica, se aíslan de tales perturbaciones y acercan los dispositivos un paso más a una tecnología reproducible y confiable ".

La compuerta envolvente también se alinea automáticamente con la fuente y los contactos de drenaje sin requerir litografía. Como una puerta autoalineada, no se superpone ni se superpone a la fuente / drenaje, pero encaja casi a la perfección, lo cual es importante para asegurar un buen camino para el flujo de carga. Los investigadores también pudieron escalar la longitud de la puerta hasta 20 nm, y predecir que es posible un mayor escalado para canales CNT aún más pequeños.

La compuerta también se puede usar para realizar dispositivos de tipo ny p mediante el uso de diferentes materiales dieléctricos para cambiar la polaridad. Aunque el dispositivo de tipo n tiene un mejor rendimiento que el dispositivo de tipo p, los investigadores predicen que esto último podría mejorarse haciendo regiones espaciadoras más delgadas, ya que estos espaciadores crean una barrera para cargar el transporte.

Los investigadores también realizaron simulaciones cuánticas del CNTFET para confirmar su comprensión del funcionamiento del dispositivo. Los resultados de la simulación coincidieron estrechamente con los resultados experimentales, y también permitió a los investigadores proyectar el impacto de diferentes variables en el rendimiento del dispositivo, incluido el espesor del espaciador y el dopaje. Estas modificaciones teóricamente podrían aumentar la corriente, disminuir la corriente fuera de corriente, y entregar una oscilación por debajo del umbral muy cerca del límite teórico de 60 mv / dec, lo que significa que el transistor puede cambiar muy rápidamente entre los estados de encendido y apagado.

Avanzando, los resultados demuestran que las matrices de CNT se pueden integrar en escalables, transistores de tipo n y p autoalineados con puertas envolventes ideales. Los investigadores predicen que, con una mayor optimización, estos CNTFET podrían algún día servir como de bajo voltaje, transistores de alto rendimiento que tienen un impacto generalizado en aplicaciones futuras.

"En IBM, Hemos demostrado en los últimos años que puede lograr un excelente rendimiento CNTFET con longitudes de canal inferiores a 10 nm y ahora puede hacerlo en una estructura de puerta envolvente tecnológicamente compatible. ", Dijo Franklin." El mayor desafío que queda a nivel de dispositivo es mejorar la inyección de portadores en los contactos metal-CNT de los dispositivos. Cuando los contactos se escalan a las pequeñas dimensiones necesarias para una tecnología, la resistencia de contacto aumenta sustancialmente y debe abordarse. Si bien este problema no es exclusivo de los CNTFET (los MOSFET de todo tipo sufren de manera similar), es un obstáculo que requiere una resolución para acceder a todo el potencial de una tecnología CNT.

"Fuera del área del dispositivo, Los dos obstáculos principales de los materiales son seguir aumentando la pureza y el aislamiento de los CNT semiconductores de sus homólogos metálicos y ensamblar con precisión los CNT en ubicaciones precisas sobre un sustrato. Ambas áreas han experimentado un progreso impresionante en el último año, tanto de IBM como de otros grupos de investigación ".

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