Les nanotubes de carbone, de grosses molécules cylindriques composées d'atomes de carbone hybridés disposés dans une structure hexagonale, ont récemment attiré l'attention des ingénieurs électroniciens. En raison de leur configuration géométrique et de leurs propriétés électroniques avantageuses, ces molécules uniques pourraient être utilisées pour créer des transistors à effet de champ (FET) plus petits présentant un rendement énergétique élevé.
Les FET basés sur des nanotubes de carbone ont le potentiel de surpasser les transistors plus petits basés sur le silicium, mais leur avantage dans les mises en œuvre réelles n'a pas encore été démontré de manière concluante. Un article récent rédigé par des chercheurs de l'Université de Pékin et d'autres instituts en Chine, publié dans Nature Electronics , décrit la réalisation de FET basés sur des nanotubes de carbone pouvant être mis à l'échelle à la même taille qu'un nœud technologique en silicium de 10 nm.
"Les progrès récents dans la réalisation de réseaux de nanotubes de carbone semi-conducteurs à haute densité à l'échelle d'une tranche nous ont rapproché de l'utilisation pratique des nanotubes de carbone dans les circuits CMOS", a déclaré Zhiyong Zhang, l'un des chercheurs qui ont mené l'étude, à Phys.org. "Cependant, les efforts de recherche antérieurs se sont principalement concentrés sur la mise à l'échelle de la longueur du canal ou de la grille des transistors à nanotubes de carbone tout en conservant de grandes dimensions de contact, ce qui ne peut pas être accepté pour les circuits CMOS haute densité dans des applications pratiques.
"Notre objectif principal de ce travail est d'explorer la véritable capacité de mise à l'échelle des réseaux de nanotubes de carbone en utilisant deux facteurs de mérite dans l'industrie du silicium, à savoir le pas de grille contactée et la surface de la cellule SRAM 6T, tout en conservant les avantages en termes de performances."
Zhang et ses collègues ont essentiellement cherché à démontrer la valeur pratique des transistors à nanotubes de carbone, en montrant qu'ils peuvent surpasser les FET conventionnels à base de silicium avec un pas de grille comparable et une surface de cellule SRAM 6T. Pour y parvenir, ils ont d’abord fabriqué des FET basés sur des réseaux de nanotubes de carbone avec un pas de grille contacté de 175 nm. Ce pas de grille a été réalisé en ajustant la longueur de la grille et la longueur du contact à 85 nm et 80 nm, respectivement.
« Remarquablement, les transistors présentaient un courant passant impressionnant de 2,24 mA/μm et une transconductance maximale de 1,64 mS/μm, surpassant les performances électroniques des transistors à nœud en silicium de 45 nm », a déclaré Zhang. "De plus, la cellule SRAM 6T composée de ces transistors à nanotubes ultra-échelles a été fabriquée dans un rayon de 1 μm 2 , et fonctionne correctement. Nous avons ensuite étudié l'obstacle majeur, à savoir la résistance de contact des transistors à nanotubes de carbone pour une mise à l'échelle ultérieure."
Des études antérieures ont montré qu'en suivant un schéma de contact largement répandu appelé « contact latéral », les porteurs de charge ne peuvent être injectés qu'à partir de la surface des nanotubes de carbone. Cela rend la résistance de la longueur des nanotubes dépendante, limitant ainsi la mesure dans laquelle ils peuvent être miniaturisés.
Pour surmonter ce problème, Zhang et ses collègues ont introduit un nouveau système qu'ils appellent « contact total ». Ce schéma consiste à couper les deux extrémités des nanotubes de carbone avant de former le contact, ce qui permet à son tour d'injecter une partie des porteurs à partir de ces extrémités.
« Ce nouveau schéma de contact permet aux transistors à nanotubes de carbone d'être encore réduits à un pas de grille contacté inférieur à 55 nm, ce qui correspond au nœud technologique en silicium de 10 nm, tout en surpassant les transistors en silicium à nœud de 10 nm en raison de la mobilité élevée des porteurs et de la vitesse de Fermi », a déclaré Zhang. "Notre travail a démontré expérimentalement une véritable technologie de nœuds de 90 nm utilisant des nanotubes de carbone, qui pourraient être géométriquement plus petits et offrir des performances électroniques surpassant les transistors à nœuds de 90 nm en silicium."
Cet article récent présente une approche fiable des transistors à nanotubes de carbone à échelle réduite, sans compromettre leurs performances. Jusqu'à présent, l'équipe a utilisé sa stratégie pour créer un transistor à nœud de 90 nm, mais en repensant la structure des contacts, elle estime que ces transistors pourraient être réduits en dessous d'un nœud inférieur à 10 nm.
À l’avenir, les travaux de Zhang et de ses collègues pourraient contribuer à la création de transistors à base de nanotubes de carbone de plus en plus petits et efficaces. Cela pourrait avoir des implications précieuses pour le développement de l'électronique.
"Le prochain défi que nous relevons actuellement est de réduire la géométrie de contact des transistors de type N à nanotubes de carbone pour construire une technologie CMOS complète, qui constitue les éléments de base nécessaires aux circuits intégrés numériques modernes", a ajouté Zhang.
"Actuellement, nous utilisons du scandium pour le contact des transistors à nanotubes de carbone de type n. Cependant, nous sommes confrontés à de grandes difficultés lorsque nous réduisons la longueur de contact en raison de l'oxydation de ce métal à faible travail. De plus, nous travaillons à caractériser avec précision la qualité de l'interface entre les réseaux de nanotubes de carbone et le diélectrique à κ élevé, en l'améliorant au niveau des transistors CMOS en silicium pour améliorer la contrôlabilité et la fiabilité de la grille."
Plus d'informations : Yanxia Lin et al, Mise à l'échelle de transistors à nanotubes de carbone alignés vers un nœud inférieur à 10 nm, Nature Electronics (2023). DOI :10.1038/s41928-023-00983-3
Informations sur le journal : Électronique naturelle
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