研究者らは整列カーボンナノチューブトランジスタをサブレベル以下にスケーリングすることを実証

2023年7月27日の特集

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イングリッド・ファデリ著、Phys.org

カーボン ナノチューブは、六角形構造に配置された混成炭素原子で構成される大きな円筒状分子であり、最近エレクトロニクス技術者の間で大きな注目を集めています。 これらのユニークな分子は、その幾何学的構成と有利な電子特性により、高いエネルギー効率を示す小型の電界効果トランジスタ (FET) の作成に使用できる可能性があります。

カーボンナノチューブベースの FET は、シリコンベースの小型トランジスタよりも優れた性能を発揮する可能性がありますが、実際の実装におけるその利点はまだ決定的に実証されていません。 Nature Electronicsに掲載された、北京大学および中国のその他の研究機関の研究者らによる最近の論文では、10nmシリコンテクノロジーノードと同じサイズにスケールできるカーボンナノチューブに基づくFETの実現について概説されています。

「ウェーハスケールの高密度半導体カーボンナノチューブアレイの実現における最近の進歩により、CMOS回路におけるカーボンナノチューブの実用化にまた一歩近づいた」と、この研究を実施した研究者の一人であるZhiyong Zhang氏はPhys.orgに語った。 「しかし、これまでの研究活動は主に、大きなコンタクト寸法を維持しながらカーボンナノチューブトランジスタのチャネルまたはゲート長をスケーリングすることに焦点を当てており、実際のアプリケーションにおける高密度CMOS回路には受け入れられません。

「この研究の主な目的は、性能上の利点を維持しながら、シリコン産業における 2 つの性能指数、つまりコンタクトされたゲートのピッチと 6T SRAM セルの面積を使用して、カーボン ナノチューブ アレイの真のスケーリング能力を調査することです。」

Zhang氏らは基本的に、カーボンナノチューブトランジスタの実用的な価値を実証することに着手し、同程度のゲートピッチと6T SRAMセル面積を備えた従来のシリコンベースのFETよりも優れた性能を発揮できることを示した。 これを達成するために、彼らはまず、接触ゲートピッチが175nmのカーボンナノチューブアレイに基づくFETを製造した。 このゲートピッチは、ゲート長とコンタクト長をそれぞれ85nmと80nmにスケールすることで実現した。

「注目すべきことに、このトランジスタは2.24 mA/μmという優れたオン電流と1.64 mS/μmのピーク相互コンダクタンスを示し、シリコン45 nmノードトランジスタの電子性能を上回りました」とZhang氏は述べた。 「さらに、これらの超微細化されたナノチューブ・トランジスタで構成される6T SRAMセルは1μm2以内に製造されており、正しく機能します。その後、さらなる微細化のための主要な障害であるカーボン・ナノチューブ・トランジスタの接触抵抗を調査しました。」

過去の研究では、「サイドコンタクト」として知られる広く普及している接触スキームに従う場合、電荷キャリアはカーボンナノチューブの表面からしか注入できないことが示されている。 このため、ナノチューブの長さの抵抗が依存し、ナノチューブを小型化できる範囲が制限されます。

この問題を克服するために、張氏らは「フルコンタクト」と呼ぶ新しいスキームを導入した。 このスキームでは、コンタクトを形成する前にカーボン ナノチューブの両端を切断する必要があり、これによりキャリアの一部がこれらの端から注入されることが可能になります。

「この新しいコンタクト方式により、カーボンナノチューブトランジスタを、シリコン10nmテクノロジーノードに相当する55nm未満のコンタクトゲートピッチまでさらに縮小することができると同時に、高いキャリア移動度とフェルミ速度により10nmノードのシリコントランジスタを上回る性能を発揮します」とZhang氏は述べた。 「私たちの研究は、カーボンナノチューブを使用した真の90nmノード技術を実験的に実証しました。これは幾何学的に小さくすることができ、シリコン90nmノードトランジスタを上回る電子性能を提供することができます。」