碳納米晶體管性能跟硅越來越接近 不久后有望打敗硅

研究人員尋求通過在納米管和晶體管柵極之間，使用更薄的絕緣體來更好地控制碳納米晶體管。

在近日的IEEE Electron Devices Meeting (IEDM)會議上，碳納米管期間的最新研究成果揭曉。臺灣半導體制造公司（Taiwan Semiconductor Manufacturing Company，TSMC）、加州大學圣地亞哥分校（University of California San Diego）和斯坦福大學（Stanford University）的工程師解釋了一種新的制造工藝，這種工藝可以更好地控制碳納米管晶體管。這種控制對于確保在邏輯電路中起開關(guān)作用的晶體管在需要時完全關(guān)閉至關(guān)重要。最近，人們對碳納米管晶體管的興趣有所增加，因為它們有望比硅晶體管更進一步縮小尺寸，并且提供了一種比硅更容易制造電路堆疊層的方法。

研究小組發(fā)明了一種制造更好柵介質(zhì)的方法。這是柵極和晶體管溝道區(qū)域之間的絕緣層。在工作中，柵極上的電壓在溝道區(qū)域形成電場，切斷電流。然而，隨著幾十年來硅晶體管的規(guī)模不斷縮小，由二氧化硅制成的絕緣層不得不越來越薄，以便用更少的電壓控制電流，從而降低能耗。最終，絕緣層是如此之薄，以至于電荷實際上可以穿過它，泄漏電流并浪費能量。

十多年前，硅半導體工業(yè)通過改用一種新的介電材料二氧化鉿來解決這個問題。與先前使用的二氧化硅相比，這種材料具有高介電常數(shù)（high-k），這意味著相對較厚的high-k介電層在電學上相當于更薄的氧化硅層。

碳納米管晶體管也使用HfO2柵極電介質(zhì)。而碳納米管的問題在于，它們不允許在控制縮小的器件所需的薄層中形成電介質(zhì)。

沉積高介電常數(shù)（high-k）的方法稱為原子層沉積。顧名思義，它一次只構(gòu)建一個原子層。然而，它需要一個起點。在硅中，這是在表面自然形成的原子薄層氧化物。

碳納米管并沒有為沉積的開始提供這樣的立足點。它們不會自然形成氧化層二氧化碳和一氧化碳 -- 畢竟是氣體。而納米管中的任何缺陷都會導致所需的“懸空鍵”，從而限制其傳導電流的能力。

Images: Greg Pitner/TSMCUntil now, growing a thin layer of the high-k dielectric hafnium dioxide atop a carbon nanotube was impossible. Researchers are Stanford and TSMC solved the problem by adding an intermediate-k dielectric between them.

“形成high-k電介質(zhì)一直是一個大問題，”主持這項工作的TSMC首席科學家、斯坦福大學教授H.-S. Philip Wong說。你必須“基本上，把更厚的氧化物傾倒在納米管上”，而不是你想要的縮小晶體管。為了弄清這個問題的原因，Wong建議，想象一下，門電壓的作用就像用腳踩在花園的水管上，試圖阻止水流通過。如果在你的腳和水管之間放一堆類似于厚厚的氧化鐵門的枕頭，那就會變得更難。

臺積電（TSMC）的Matthias Passlack和加州大學圣地亞哥分校（UCSD）的Andrew Kummel提出了一種解決方案，將HfO2的原子層沉積與一種新的沉積介電常數(shù)中間材料氧化鋁的方法結(jié)合起來。Al2O3是使用UCSD發(fā)明的一種稱為納米霧的工藝來沉積的。就像水蒸氣凝結(jié)成霧一樣，Al2O3凝結(jié)成團簇覆蓋在納米管表面。氫氟酸的原子層沉積可以開始使用這種界面電介質(zhì)作為立足點。

這兩種電介質(zhì)的綜合電氣特性使研究小組得以在直徑僅為15納米的柵極下方建造一個柵極電介質(zhì)厚度小于4納米的裝置。所得到的器件具有與硅CMOS器件相似的通斷電流比特性，仿真結(jié)果表明，具有更薄柵介質(zhì)的更小器件也可以工作。

但在碳納米管器件能夠與硅晶體管相匹配之前，還有很多工作要做。其中幾個問題已單獨解決，但尚未合并到單個設(shè)備中。例如，Wong的設(shè)備中的單個納米管限制了晶體管可以驅(qū)動的電流。Wong說，讓多個相同的納米管完美排列是一個挑戰(zhàn)。北京大學Lian-Mao Peng實驗室的研究人員最近成功地將每微米250個碳納米管排成一行，這意味著很快就會有一個解決方案。

另一個問題是該設(shè)備的金屬電極和碳納米管之間的電阻，特別是當這些觸點被縮小到接近當今先進硅芯片的尺寸時。

最后，需要摻雜碳納米管以增加柵極兩側(cè)的載流子數(shù)量。這種摻雜是在硅中通過用其他元素取代晶格中的一些原子來實現(xiàn)的。這在碳納米管中不起作用，因為它會破壞結(jié)構(gòu)的電子能力。相反，碳納米管晶體管使用的是所謂的靜電摻雜。在這里，故意操縱電介質(zhì)層的組成，以便將電子提供給納米管或?qū)⑵湟觥?/p>

Wong說：“我們非常興奮，因為我們正在一個接一個地擊落所有這些碎片。下一步是把所有這些結(jié)合起來……如果我們能把所有這些結(jié)合起來，我們就能打敗硅?！?/p>

責任編輯：xj

原文標題：碳納米晶體管體積更小 性能跟硅越來越接近

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