Los nanotubos de carbono, grandes moléculas cilíndricas compuestas de átomos de carbono hibridados dispuestos en una estructura hexagonal, atrajeron recientemente una gran atención entre los ingenieros electrónicos. Debido a su configuración geométrica y sus ventajosas propiedades electrónicas, estas moléculas únicas podrían usarse para crear transistores de efecto de campo (FET) más pequeños que presenten una alta eficiencia energética.
Los FET basados en nanotubos de carbono tienen el potencial de superar a los transistores más pequeños basados en silicio, pero su ventaja en implementaciones en el mundo real aún no se ha demostrado de manera concluyente. Un artículo reciente de investigadores de la Universidad de Pekín y otros institutos de China, publicado en Nature Electronics , describe la realización de FET basados en nanotubos de carbono que pueden ampliarse al mismo tamaño que un nodo de tecnología de silicio de 10 nm.
"Los recientes avances en la consecución de conjuntos de nanotubos de carbono semiconductores de alta densidad a escala de oblea nos acercan un paso más al uso práctico de los nanotubos de carbono en circuitos CMOS", dijo a Phys.org Zhiyong Zhang, uno de los investigadores que llevó a cabo el estudio. "Sin embargo, los esfuerzos de investigación anteriores se han centrado principalmente en el escalamiento de la longitud del canal o de la puerta de los transistores de nanotubos de carbono manteniendo al mismo tiempo grandes dimensiones de contacto, lo que no puede aceptarse para circuitos CMOS de alta densidad en aplicaciones prácticas.
"Nuestro principal objetivo de este trabajo es explorar la verdadera capacidad de escalamiento de las matrices de nanotubos de carbono utilizando dos cifras de mérito en la industria del silicio, es decir, el paso de la puerta de contacto y el área de la celda SRAM 6T, manteniendo al mismo tiempo las ventajas de rendimiento".
Básicamente, Zhang y sus colegas se propusieron demostrar el valor práctico de los transistores de nanotubos de carbono, demostrando que pueden superar a los FET convencionales basados en silicio con un paso de puerta comparable y un área de celda SRAM de 6T. Para lograrlo, primero fabricaron FET basados en matrices de nanotubos de carbono con un paso de puerta de contacto de 175 nm. Este paso de puerta se logró escalando la longitud de la puerta y la longitud de contacto a 85 nm y 80 nm, respectivamente.
"Sorprendentemente, los transistores exhibieron una impresionante corriente de 2,24 mA/μm y una transconductancia máxima de 1,64 mS/μm, superando el rendimiento electrónico de los transistores de nodo de silicio de 45 nm", dijo Zhang. "Además, la celda SRAM 6T compuesta por estos transistores de nanotubos ultraescalados se ha fabricado dentro de 1 μm 2 y funciona correctamente. Luego investigamos el obstáculo principal, es decir, la resistencia de contacto de los transistores de nanotubos de carbono para seguir escalando."
Estudios anteriores han demostrado que cuando se sigue un esquema de contacto generalizado conocido como "contacto lateral", los portadores de carga sólo pueden inyectarse desde la superficie de los nanotubos de carbono. Esto hace que la resistencia de los nanotubos dependa de la longitud, lo que restringe el grado en que pueden miniaturizarse.
Para superar este problema, Zhang y sus colegas introdujeron un nuevo esquema al que denominan "contacto total". Este esquema implica cortar ambos extremos de los nanotubos de carbono antes de formar el contacto, lo que a su vez permite inyectar parte de los portadores desde estos extremos.
"Este nuevo esquema de contacto permite que los transistores de nanotubos de carbono se reduzcan aún más a un paso de puerta de contacto inferior a 55 nm que corresponde al nodo de tecnología de silicio de 10 nm, al tiempo que supera a los transistores de silicio de nodo de 10 nm debido a la alta movilidad del portador y la velocidad de Fermi", dijo Zhang. "Nuestro trabajo demostró experimentalmente una verdadera tecnología de nodo de 90 nm utilizando nanotubos de carbono, que podrían hacerse geométricamente más pequeños y ofrecer un rendimiento electrónico superior a los transistores de nodo de 90 nm de silicio".
Este artículo reciente presenta un enfoque confiable para reducir la escala de los transistores de nanotubos de carbono, sin comprometer su rendimiento. Hasta ahora, el equipo utilizó su estrategia para crear un transistor de nodo de 90 nm, pero al rediseñar la estructura de los contactos creen que estos transistores podrían reducirse por debajo de un nodo de menos de 10 nm.
En el futuro, el trabajo de Zhang y sus colegas podría contribuir a la creación de transistores basados en nanotubos de carbono cada vez más pequeños y eficientes. Esto podría tener valiosas implicaciones para el desarrollo de la electrónica.
"El próximo desafío que ahora estamos abordando es reducir la geometría de contacto de los transistores de nanotubos de carbono tipo n para construir tecnología CMOS completa, que son los componentes básicos necesarios para los circuitos integrados digitales modernos", añadió Zhang.
"Actualmente utilizamos escandio para el contacto de transistores de nanotubos de carbono tipo n. Sin embargo, nos enfrentamos a grandes dificultades a medida que reducimos la longitud del contacto debido a la oxidación de este metal con función de bajo trabajo. Además, estamos trabajando para caracterizar con precisión la calidad de la interfaz entre las matrices de nanotubos de carbono y el dieléctrico de alto κ, mejorándola al nivel de los transistores CMOS de silicio para mejorar la controlabilidad y confiabilidad de la puerta".
Más información: Yanxia Lin et al, Escalado de transistores de nanotubos de carbono alineados a un nodo de menos de 10 nm, Nature Electronics (2023). DOI:10.1038/s41928-023-00983-3
Información de la revista: Electrónica de la naturaleza
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