(PhysOrg.com) -- Les ingénieurs ont construit le premier transistor à nanotubes de carbone (CNT) avec une longueur de canal inférieure à 10 nm, une taille qui est considérée comme une exigence pour la technologie informatique dans la prochaine décennie. Non seulement le minuscule transistor peut contrôler suffisamment le courant, il le fait nettement mieux que prévu par la théorie. Il surpasse même les meilleurs transistors au silicium concurrents à cette échelle, démontrant une densité de courant supérieure à une tension de fonctionnement très faible.

Les ingénieurs, de l'IBM T.J. Centre de recherche Watson à Yorktown Heights, New York; ETH Zurich à Zurich, La Suisse; et l'Université Purdue à West Lafayette, Indiana, ont publié leur étude sur le premier transistor CNT sub-10 nm dans un récent numéro de Lettres nano .

De nombreux groupes de recherche travaillent sur la réduction de la taille des transistors afin de répondre aux exigences de la future technologie informatique pour les plus petits, circuits intégrés plus denses. Lorsque les transistors d'aujourd'hui (transistors à effet de champ silicium métal-oxyde-semiconducteur, ou Si MOS-FET) sont rétrécis, ils perdent leur capacité à contrôler efficacement le courant électrique, un problème appelé effets de canal court. Pour cette raison, les chercheurs ont modifié la conception du Si MOS-FET dans le but d'améliorer les performances du transistor à des longueurs de grille inférieures à 10 nm, mais ces appareils sont toujours confrontés à des problèmes de performances.

Dans la nouvelle étude, les ingénieurs ont complètement abandonné le silicium et se sont tournés vers les CNT à simple paroi. En raison de leurs propriétés électriques supérieures et de leurs corps ultrafins (diamètre 1 à 2 nm), Les NTC sont proposés en remplacement du silicium depuis plusieurs années. Leurs corps ultrafins devraient permettre aux CNT de maintenir le contrôle de grille du courant dans un transistor même à de courtes longueurs de canal, leur permettant potentiellement d'éviter les effets de canal court. Le transistor CNT inférieur à 10 nm de l'équipe IBM est le premier à démontrer ces avantages.

« La plus grande importance de ce travail réside dans la démonstration que les transistors à nanotubes de carbone peuvent non seulement fonctionner correctement à des longueurs inférieures à 10 nm, mais que leurs performances sont meilleures que celles des transistors à base de silicium les mieux rapportés à des longueurs similaires, " Le chercheur d'IBM, Aaron Franklin, a déclaré PhysOrg.com . « Depuis des années, on sait que la mise à l'échelle de dispositifs en silicium en vrac serait extrêmement difficile, sinon impossible, lorsque les longueurs se rapprochent de 10 à 15 nm… Les superbes performances à basse tension de ce transistor à nanotubes de carbone mis à l'échelle sont un panneau indiquant qu'il existe une alternative démontrable pour les transistors extrêmement mis à l'échelle.

Jusqu'à ce que les ingénieurs construisent le transistor CNT inférieur à 10 nm, personne ne savait qu'ils feraient cela aussi bien. Les théories prédisaient que les CNT avec des canaux ultrafins subiraient une perte de contrôle de la porte ainsi qu'une perte de saturation du courant de drain dans la sortie, ce qui dégraderait les performances.

« La raison pour laquelle la théorie prévoyait une perte de contrôle de la grille pour les transistors à nanotubes en dessous de 15 nm environ (bien qu'ils soient extrêmement minces) est liée à d'autres physiques de transport uniques pour les dispositifs à nanotubes, ", a déclaré Franklin. « À savoir, les masses effectives des porteurs (masse d'électrons) sont très faibles pour les nanotubes par rapport aux autres semi-conducteurs, ce qui signifie qu'ils peuvent creuser un tunnel ou fuir plus facilement dans l'appareil. C'est l'une des raisons pour lesquelles les théories avaient suggéré une perte de contrôle de la porte, parce que ces porteurs « légers » commençaient à creuser un tunnel de manière incontrôlable lorsque les longueurs devenaient trop petites. Dans le journal, nous montrons que la raison de cet écart est en grande partie due à des modèles physiques insuffisants pour le transport aux contacts nanotube-métal - les modèles précédents ignorent pour la plupart ce qui pourrait se passer avec les électrons traversant la jonction métal-nanotube.

Lorsque les ingénieurs ont fabriqué plusieurs transistors individuels sur le même nanotube, le plus petit ayant une longueur de canal de seulement 9 nm, ils ont observé que le plus petit transistor présentait un comportement de commutation superbe et une saturation du courant de drain, défiant les prédictions. Par rapport aux transistors Si inférieurs à 10 nm les plus performants de conceptions et de diamètres variés, le transistor CNT de 9 nm avait une densité de courant normalisée en diamètre plus de quatre fois celle du meilleur transistor au silicium. Et il présentait cette densité de courant impressionnante à une faible tension de fonctionnement (0,5 volt), ce qui est important pour réduire la consommation d'énergie.

Les chercheurs prédisent que les modèles théoriques peuvent être améliorés en se concentrant davantage sur le transport entre les contacts métalliques et les NTC. Ils pensent également que les transistors CNT 9 nm hautes performances démontrent le potentiel d'utilisation des transistors CNT dans la technologie informatique de demain.

« L'implication principale est que les nanotubes de carbone valent toujours la peine d'être pris en considération pour une future technologie de transistor à l'échelle, ", a déclaré Franklin. «Ce qui n'est souvent pas réalisé par ceux qui ne sont pas dans le domaine, c'est que les transistors à nanotubes de carbone sont essentiellement les seuls dispositifs sans silicium qui se sont révélés expérimentalement prometteurs dans les transistors à très grande échelle. Il existe de nombreux dispositifs promus par la théorie, ou démontré dans des structures d'appareils plus grandes, mais aucun n'a été en mesure de montrer le niveau de performance de laboratoire de recherche que les nanotubes ont. Maintenant, cela dit, il convient de noter qu'il y a des défis à relever avant que quiconque ne voie une solution de transistor intégrée à partir de nanotubes. Mais, à ce jour, rien en rapport avec les transistors à nanotubes ne s'est avéré fondamentalement impossible à résoudre, du placement des nanotubes dans des emplacements précis à la séparation complète des nanotubes métalliques et semi-conducteurs.

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